1/2007. Veranstaltungen. Höhenmessungen mit GPS Status quo und Entwicklungstendenzen. Kolloquium am 16. November 2006 in Koblenz

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1 Höhenmessungen mit GPS Status quo und Entwicklungstendenzen Kolloquium am 16. November 2006 in Koblenz Koblenz, Januar 2007

2 Inhaltsverzeichnis Einführung Joachim Behrens... 5 Grundlagen der GPS-Höhenmessungen Robert Weiß... 9 Antennen- und Mehrwegeproblematik bei der satellitengestützten Höhenbestimmung Lambert Wanninger Zukunft der Höhenreferenzsysteme Kombination von geometrischen und gravimetrischen Parametern Johannes Ihde GPS-Höhenmessungen in der Landesvermessung Niedersachsen Uwe Feldmann-Westendorff und Cord-Hinrich Jahn GPS-Höhenmessungen in der Landesvermessung Rheinland-Pfalz Gerhard Berg GPS-gestützte Höhenmessungen und überwachung von Pegeln im Küstenbereich Astrid Sudau GPS-Höhenmessungen in der Hydrographie Harry Wirth Seite 3

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4 Einführung Joachim Behrens GPS - Nutzung in der WSV Mit dem amerikanischen Navstar Global Positioning System (GPS) wurden erste Versuche seitens der Bundesanstalt für (BfG) in den Jahren 1987 und 1990 mit stationären Messungen für die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) durchgeführt. Hier galt es, primär die Überwachung von Pegelnullpunkten im Küstenbereich insbesondere von Pegeln auf Leuchttürmen zu verbessern. Das bis zum Jahr 1990 benutzte Verfahren des Hydrostatischen Nivellements ist zeit- und kostenintensiv, allerdings mit einer sehr präzisen Messgenauigkeit von s = 0,5 mm (BEHRENS 1990). Die ersten GPS-Messungen wurden an Vermessungsbüros mangels eigenem GPS-Messinstrumentarium vergeben. GPS - Operativ in der WSV-Praxis Eine Steigerung für die WSV erfolgte durch den Einsatz von BfG-eigenen GPS-Empfängern ab 1990 sowohl für den stationären als auch für den kinematischen Messbetrieb. Dies betraf Aufgaben im Bereich von Lage- und Höhennetzen und den Bereich der Gewässervermessung, wo mittels Messschiffen kurzzeitig aktuelle Raumkoordinaten für die Gewässersohle verfügbar sein müssen (BEHRENS 2003). In diesem Zusammenhang das ist mir bei den zahlreichen, hier anwesenden Vertretern von Landesvermessungsverwaltungen und dem Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) eine besondere Freude war und ist auch zukünftig eine enge Kooperation mit der Landesvermessung über die Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Länder der Bundesrepublik Deutschland (AdV) notwendig. Es konnten die Voraussetzungen für einen Real-Time-Betrieb mit GPS bzw. mit Differenzial-GPS (DGPS) geschaffen werden, was zum Satellitenpositionierungssystem der Deutschen Landesvermessung (SAPOS) führte. Im Hinblick auf die Genauigkeitsanforderungen von rund cm in der Gewässervermessung war ein dichtes Referenzstationen-Netz mit Stationsabständen von rund 50 km eine wesentliche Vorraussetzung. Hinzu kam das Problem der einwandfrei ablaufenden funktechnischen Messsignalübertragung zwischen den Referenzstationen und den Vor-Ort- GPS-Empfängern. Hier wirkte unterstützend das Seezeichenversuchsfeld, jetzt Fachstelle für Verkehrstechniken (FVT), der WSV mit. Ebenso wurden von dieser Dienststelle: - die Nutzung der GPS-Messfrequenzen, - die Standortkoordinierung der GPS-Referenzstationen und - die Betriebsgenehmigungen Seite 5

5 mit den zuständigen fernmeldetechnischen Dienststellen der Deutschen Bundespost im grundlegenden ersten Anlauf für die AdV-Mitgliedsverwaltungen geregelt. Untersuchungen der BfG zu den GPS-Messungen auf dem Gebiet der Gewässervermessung für einige WSV-Dienststellen entlang des Rheins verbesserten die Anforderungen für einen kinematischen Messbetrieb. Das erste WSV-Messschiff auf dem Rhein konnte Ende 1995 den Wirkbetrieb mit DGPS für die Gewässervermessung aufnehmen (BEHRENS 2003, 2004). Die aus den BfG-Untersuchungen gewonnenen Erfahrungen konnten in den AdV-Arbeitsgruppen erfolgreich für die Nutzung von SAPOS umgesetzt werden. Trennung von Messungen nach Lage und Höhe In der Regel werden in Netzen der Landesvermessung Lage- und Höhenmessungen getrennt vorgenommen. Das ist eine Folge aus dem Einsatz von unterschiedlichen geodätischen Messungsinstrumenten und dem Einfluss der Erdschwere auf die Höhenmessungen (physikalischer Bezug). Durch den Einsatz von GPS sind die Raumkoordinaten in die Bezugssysteme der Landesvermessung zu transformieren. Hier gilt nach wie vor, dass die Messgenauigkeiten für die Höhe rund 3-mal schlechter sind als diejenigen Genauigkeiten für die Lage. Daher ist gerade bei Höhenmessungen eine besondere Sorgfalt angebracht, um alle Fehlereinflüsse während der Messungen später bei der Berechnung auch berücksichtigen zu können. Höhenmessungen mit GPS in der WSV Ähnlich wie die Landesvermessung und die Industrie hat auch die WSV ein großes Interesse an präzisen und vor allem aktuellen Höhen für die ständige Aufgaben der Unterhaltung der Bundeswasserstraßen und damit einer ordnungsgemäßen Bereitstellung der Wasserstraßen für den Schiffsverkehr. So liegen die WSV-Anforderungen für Höhen insbesondere: - bei Verkehrsbauten, wie z.b. Schleusen, Brücken o. ä., - bei Regulierungsmaßnahmen an Bundeswasserstraßen und - und zur Überwachung der Nullpunkte von Wasserstandspegeln. Zu den genannten Aufgaben nutzt die WSV ein übergeordnetes Höhenfestpunktfeld, das durch das so genannte Hauptnivellement an den Bundeswasserstraßen derzeit über Vergaben durch die BfG stabilisiert und aktualisiert wird. Hinzu kommen die umfangreichen, ergänzenden Nivellements und objektbezogenen Bauwerksnivellements durch die WSV- Dienststellen vor Ort, um das WSV-Höhenpunktfeld zu komplettieren. Betrachtet man die Aufgaben der BfG für die WSV einmal etwas genauer, so hat sich bei der Durchführung des Hauptnivellements an den Bundeswasserstraßen in Form von Wiederholungsnivellements eine Unterstützung mit Hilfe von GPS ergeben: Anstelle der Hydrostatischen Nivellements im Küstenbereich (zuletzt 1990 durchgeführt), die auch vor allem wegen fehlendem Spezialschiff des Niederländischen Rijkswaterstaats nicht mehr erfolgen können, werden in den letzten Jahren präzise GPS-Messungen genutzt. Das in den Jahren durch das Kuratorium für Forschungen im Küsteningenieurwesen (KFKI) Seite 6

6 (Mitglieder: Vertreter des Bundes und der Bundesländer im Küstenbereich) geförderte Vorhaben Entwickeln einer Methode zur universellen Höhenüberwachung von Küstenpegeln (NN-Sat) und das seit 2005 laufende KFKI-Vorhaben Entwickeln eines integrierten Höhenüberwachungssystem durch Kombination höhenrelevanter Sensorik (IKÜS) unterstützen den verstärkten GPS-Einsatz für Höhenmessungen in der WSV. An beiden Forschungsmaßnahmen waren bzw. sind verschiedene heute auch hier anwesende Institutionen (Behörden, Universitäten) beteiligt. Daneben steht die dringende Erneuerung des Deutschen Haupthöhennetzes DHHN '92, wozu auch Satellitenmessungen verwendet werden, um u.a. übergreifende Netzstabilitäten zu garantieren. Dazu werden große Anstrengungen seitens der Landesvermessungsdienststellen der Bundesländer der Bundesrepublik Deutschland unternommen, um diesem Ziel mit der geforderten homogenen Qualität der Landeshöhennetze nachzukommen. GNSS heute: GPS, GLONASS, GALILEO Ein Global Navigation Satellite System (GNSS) unserer Zeit umfasst die Entwicklungen des US-amerikanischem GPS, des russischen GLONASS und zukünftig des europäischen Systems GALILEO, sowie deren technische Nutzungen für breit gefächerte Anwendungsmöglichkeiten. Positionsgenauigkeiten von rund 10 m waren in Bezug auf GPS ein ursprüngliches Ziel. Heute sind mit entsprechenden Messtechniken und Messverfahren durchaus Lösungen im Dezimeter- bis zum Zentimeter-Bereich erzielbar. Dennoch bleiben stets Messunsicherheiten auf dem rechentechnisch umfangreichen Prozess von der Messung bis zum Produkt. Was es hier Aktuelles zum Thema Höhenmessung mit GPS zu berichten gibt, will ich den heutigen Referenten überlassen. Es ist ein breit gefächertes und aufeinander abgestimmtes Vortragsprogramm. Die Vorträge stehen auf unserer Homepage (unter Wissenstransfer,, Rueckblick2006) zum Download bereit. Literatur BEHRENS, J.: Möglichkeiten des Einsatzes von GPS in der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung. Moderne Verfahren der Landesvermessung, Teil I: GPS. 22. DVW-Seminar Schriftenreihe Studiengang Verm.wesen der Univ. der BW München, Nr.38-1, Neubiberg 1990 BEHRENS, J.: DGPS-gestützte Aufgaben der Gewässervermessung in der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung. DGON-Symposium: Positionierung und Navigation (POSNAV) 2003, Dt. Gesellschaft für Ortung und Navigation e.v. (DGON) an der TU Dresden , Schriftenreihe der DGON und Schriftenreihe des Geodätischen Instituts der TU Dresden H. 3, 2003 BEHRENS, J.: Hydrographische Vermessung von Binnengewässern. Beiträge zum 58. DVW- Seminar: Kinematische Messmethoden - Vermessung in Bewegung, Stuttgart, Schriftenreihe des DVW Band 45, Wißner-Verlag, Augsburg 2004 Seite 7

7 Jahrgang: Monate Grundwehrdienst FOTO Studium Vermessungswesen an der Universität Hannover Referendarausbildung in der Niedersächsischen Katasterund Vermessungsverwaltung seit 1977 Wissenschaftlicher Angestellter und Beamter der Bundesanstalt für in Koblenz Kontakt: Dr.-Ing. Joachim Behrens Referatsleiter M5 Geodäsie Bundesanstalt für Am Mainzer Tor Koblenz Tel.: 0261 / Fax: 0261 / behrens@bafg.de seit 1988 Fachgruppen- / Referatsleiter M5 Geodäsie der Bundesanstalt für und Leiter des DVW-AK Hydrographische Vermessungen und National Delegate der FIG-Kommission 4 Hydrographie seit 1994 Lehrbeauftragter des Fachbereichs Bauingenieur- und Vermessungswesen der Technischen Universität Darmstadt, Vorlesung: Gewässervermessung Seite 8

8 Grundlagen der GPS-Höhenmessungen Robert Weiß 1 Einleitung und Grundlagen Seit nunmehr 12 Jahren ist das amerikanische Satellitennavigationssystem NAVSTAR GPS (Navigational Satellite Timing and Ranging Global Positioning System) voll ausgebaut. Konzipiert und entwickelt wurde das System vom US-Militär, welches ein Nachfolgesystem für das Satellitennavigationssystem TRANSIT der United States Navy suchte. War GPS ursprünglich für den primär militärischen Einsatz vorgesehen, treten heute zivile Nutzungen mehr und mehr in den Vordergrund. So sind ca. 95% aller GPS-Nutzer im zivilen Bereich anzutreffen, während das Militär als ursprünglich vorgesehener primärer Nutzer lediglich 5% aller Anwender stellt. Der zunehmenden Wichtigkeit von GPS für die Wirtschaft bzw. das zivile Leben wurde mit der Gründung des Interagency GPS-Executive Board bzw. dessen Nachfolger dem National Space-Based Positioning, Navigation and Timing Executive Committee Rechnung getragen. In diesem Komitee sind neben militärischen Nutzern auch zivile Nutzer vertreten (Fact Sheet 2004). 2 Grundlagen der GPS-Positionierung Je nach Aufwand und Datenauswertungen können verschiedene Genauigkeiten im Bereich von 30 m bis zu wenigen mm erreicht werden. Die primären Messgrößen der GPS-Signale sind Pseudostreckenmessungen mit Hilfe des Codes oder der Trägermischphase. Zur Positionsbestimmung müssen parallele Signale von mindestens vier GPS-Satelliten empfangen werden. Aus diesem Grund wird eine aus mindestens 24 Satelliten bestehende Konstellation eingesetzt, wobei alle Satelliten die Erde in einer Höhe von ca km auf sechs Bahnebenen umkreisen. Die Bahnebenen sind um 55 gegenüber dem Äquator geneigt und um jeweils 60 verdreht (WANNINGER u. a.). Die Datensignale werden auf (derzeit) zwei Frequenzen im L-Band gesendet. Auf der L1- Frequenz (1575,42MHz) wird neben dem C/A-Code auch der öffentlich nicht zugängliche P/Y-Code übertragen. Die zweite Frequenz L2 (1227,60MHz) überträgt derzeit nur den P/Y- Code. Im Rahmen einer Verbesserung des GPS-Systems ersetzen neue Satelliten des Typs Block IIR-M, BlockIIF und Block III die bisher genutzten Satelliten. Neue Satelliten senden ein zusätzliches ziviles Signal L2C auf der L2-Frequenz. Ab dem Block-IIF-Satelliten kommt eine weitere Frequenz L5 hinzu, die in einem für die Luft und Raumfahrt geschützten Frequenzband liegt und daher im Gegensatz zur L2 nicht gestört werden darf (WANNINGER u. a., BECKER 2006). Seite 9

9 Prinzipiell ist GPS ein kinematisches Verfahren, da laufend Signale von Satelliten abgestrahlt und von Nutzern empfangen werden. Bei einer statischen Anwendung erfolgt eine Sammlung von Messdaten über einen längeren Zeitraum mit anschließender Auswertung im Postprocessing, wobei die Auswirkungen einiger hochfrequenter Fehlereinflüsse statistisch minimiert werden. Zusätzlich bewirkt eine Änderung der Satellitenkonstellation eine Verbesserung der Geometrie und damit letztendlich auch der Positionslösung. Werden simultane Messungen auf bekannten Punkten (Referenzstation) und zu bestimmenden Punkten (Rover) durchgeführt und anschließend differenziell ausgewertet, eliminieren sich einige der Fehlereinflüsse, sofern deren Auswirkungen auf der Referenz- und Roverstation gleich sind, was nur bei kleinen Abständen der Fall ist. Bei einer Nutzung von Code- Beobachtungen als primäre Beobachtungsgröße wird dieses Verfahren als Differenzielles GPS (DGPS) bezeichnet. Kommen als Beobachtungsgrößen noch die Phasenreststücke der Trägerphasen (Phasenmessungen) zum Einsatz, bezeichnet man dieses Verfahren als Präzises Differenzielles GPS (PDGPS). Sofern Phasenreststücke in die Auswertungen mit eingehen sollen, sind Aussagen über die exakte Anzahl der vollständigen Schwingungen vor den gemessenen Phasenreststücken nötig. Im Rahmen der Auswertungen müssen diese bestimmt werden, was vielfach als Lösen der Mehrdeutigkeit bezeichnet wird und nur auf Ebene der doppelten Differenzen möglich ist. Wie genau bzw. wie sicher Mehrdeutigkeiten gelöst werden können, hängt von vielen Faktoren (u.a. systematischen Restfehlern, Näherungskoordinaten oder Satellitengeometrie) ab. Sofern die Festsetzung eines Großteils oder aller Mehrdeutigkeiten auf ganzzahlige Werte gelingt, wird von fixed-lösungen gesprochen, während bei einer Festsetzung auf reelle Zahlen von float-lösungen die Rede ist (WANNINGER u. a.). Werden DGPS und PDGPS als Echtzeitanwendungen genutzt, erfolgt eine simultane Übertragung von Korrekturdaten einer oder mehrerer Referenzstationen zum Rover. Nach einer Echtzeitkorrektur der am Rover empfangenen Signale lassen sich Positionslösungen errechnen. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird diese Verfahren als Real-Time-Kinematic (RTK) bezeichnet. Für eine kinematische Positionsbestimmung werden im Gegensatz zu statischen Anwendungen keine originären Beobachtungen akkumuliert. Selbst wenn mithilfe eines RTK-Rovers quasi-statisch über jeweils längere Zeiträume Koordinatenlösungen bestimmt werden, erfolgt nur eine statistische Auswertung der kinematischen Koordinatenlösungen über den Messzeitraum. Seit Sommer 2003 erfolgt eine Vernetzung der SAPOS -Referenzstationen. Praktisch bedeutet dies eine Nutzung mehrerer umliegender Referenzstationen zur Ermittlung von Korrekturdaten, während vor der Vernetzung nur die Daten einer Station übertragen wurden. Durch eine Nutzung umliegender Referenzstationen wird eine flächenhafte Modellierung der Fehlereinflüsse ermöglicht, was zu einer besseren Approximation der Fehler am Rover führt. Derzeit existieren verschiedene Verfahren/Konzepte, welche die Art der Korrekturdaten beschreiben. Bekannte Möglichkeiten sind die FlächenKorrekturParameter (FKP) oder das Verfahren der Virtuellen ReferenzStation (VRS). Bei Nutzung von Flächenkorrekturparametern werden zusätzlich zu den Daten der nächstgelegenen Referenzstation noch Flächenkorrekturparameter übertragen, welche aus den drei umliegenden Referenzstationen ermittelt wurden. Ein Rover errechnet sich aus den Flächenkorrekturparametern und den Daten der Seite 10

10 nächstgelegenen Referenzstation für seine Näherungsposition gültigen Korrekturdaten. Im Gegensatz dazu werden bei dem Verfahren Virtuelle Referenzstation (VRS) vom Vernetzungsrechner für Näherungskoordinaten eines Rovers virtuelle Referenzdaten berechnet. Sofern das Modell der virtuellen Referenzstation mit der Realität übereinstimmt, entsprechen die berechneten Referenzdaten den gemessenen Daten einer real vorhandenen Referenzstation, mit deren Hilfe sich Koordinatenlösungen berechnen lassen. In Zukunft wird mit dem Master-Auxiliary-Concept eine weitere Möglichkeit der Korrekturdatenübertragung verfügbar sein. Im Gegensatz zu den vorher genannten Verfahren werden keine fertigen Korrekturdaten übertragen. Inhalt der übertragenen Daten sind die kompletten Daten der Master- Station und differenzielle Beobachtungen umliegender Auxiliary-Stationen. Bei den differenziellen Beobachtungen handelt es sich um die Differenzbeobachtungen, die auf dem gleichen Mehrdeutigkeitsniveau liegen und um den Einfluss des Satellitenuhrfehlers korrigiert wurden. Übertragene Daten der Master- und Auxiliary-Stationen ermöglichen es dem Rover, vor Ort eine eigene Vernetzung und damit auch eigene Korrekturdaten zu berechnen, wobei die Algorithmen der Berechnung nicht Inhalt des Master-Auxiliary-Concepts sind. Nicht bekannte Berechnungsalgorithmen stellen ein allgemeines Problem dar. Zwar existieren viele unterschiedliche Softwarelösungen, wobei die numerischen Ergebnisse der einzelnen Lösungen sich bei identischen Ausgangsbedingungen und Rohdaten unterscheiden. Weiterhin gibt es bei den Softwarelösungen eine Vielzahl von Auswerteparametern, deren Variationen ebenfalls Veränderungen in den Ergebnissen verursachen. Neben der Art der Korrekturdaten bieten sich auch verschiedene Übertragungsmedien an. Derzeit wird GSM-Standard in Verbindung mit Mobilfunkbetreibern zur Datenübertragung genutzt. Eine Nutzung des Dienstes setzt die Verfügbarkeit von Mobilfunknetzen voraus, was insbesondere im Küstenvorfeld oder dünn besiedelten Gebieten ein Problem darstellen kann. Seit Ende 2004 ist NTRIP 1 - als Übertragungsmedium für Korrekturdaten vom RTCM 2 als Standard anerkannt. Im Gegensatz zu GSM nutzt dieses Verfahren Internet-Infrastrukturen zur Datenübertragung und ist damit flexibler. 3 Probleme bei der Höhenbestimmung mit GPS Prinzipiell ist GPS ein Positionierungsverfahren, das dreidimensionale Koordinaten liefern kann, die auf ein fest definiertes Referenzsystem bezogen sind. Bei differenziellen Verfahren beziehen sich diese auf die Koordinaten der Referenzstationen. Grundlage für eine Positionsbestimmung im Raum sind Signale, die von GPS-Satelliten abgestrahlt werden, wobei die Position der Satelliten im Bezugssystem bekannt ist. Alle abgestrahlten Signale werden entlang des Signalweges und im Empfänger durch eine Vielzahl physikalischer Einflussfaktoren verfälscht, was Messunsicherheiten zur Folge hat. Bei den größten Einflüssen auf die Höhenbestimmung handelt es sich um Auswirkungen der Satellitengeometrie, des Empfängeruhrfehlers, der Troposphäre bzw. Ionosphäre, des Antennenphasenzentrums bzw. der Konfiguration der Antennen und von Mehrwegeeffekten (DREWES 2005). 1 NTRIP Networked Transport of RTCM via Internet Protocol 2 RTCM Radio Technical Commission for Maritime Services Seite 11

11 3.1 Satellitengeometrie und Empfängeruhrfehler Bei Auswirkungen verschiedener Fehlereinflüsse spielt die Satellitengeometrie eine große Rolle. Aufgrund der Bahnneigung von ca. 55 der GPS-Satelliten entsteht in der nördlichen Hemisphäre das so genannte Nordloch. Dies bedeutet, dass im nördlichen Sektor keine Signalquellen vorhanden sind. Letztendlich führt dies zu einer ungünstigeren Fehlerfortpflanzung innerhalb der Nord-Süd-Komponente eines Koordinatentripels gegenüber der Ost-West- Komponente. Sofern Beobachtungen aus entgegengesetzten Azimuten vorliegen, eliminieren sich systematische Fehlereinflüsse. Aufgrund des Nordloches existieren im nördlichen Sektor keine Signalquellen, wodurch keine Beobachtungen aus entgegengesetzten Azimuten in Nord-Süd-Richtung vorhanden sind und damit eine Eliminierung systematischer Fehlereinflüsse nicht möglich ist (WANNINGER u. a.). Z d clk e Abb. 1: Auswirkung des Empfängeruhrfehlers d clk in Abhängigkeit der Elevation e (nach ROTHACHER 2004) Abgestrahlte GPS-Signale erlauben eine Bestimmung der so genannten Pseudorange. Während einer Beobachtung erzeugt der Empfänger ein internes Signal, welches eine Kopie des vom jeweiligen Satelliten empfangenen Signals ist. Durch interne Verschiebung des generierten und empfangenen Signals lässt sich der Zeitunterschied zwischen dem Aussenden und Empfangen des Signals und damit die so genannten Pseudorange ermitteln. Die Pseudorange ist daher keine eigentliche Distanz- oder Laufzeitmessung. Sie stellt vielmehr die geometrische Distanz zwischen einem Satelliten und dem Empfänger zuzüglich der Uhrenfehler und anderer Fehlereinflüsse dar. Aufgrund der Tatsache, dass die GPS-Signale von oberhalb des Horizontes einstrahlen, ergibt sich eine starke Korrelation zwischen der zu ermittelnden Höhe und der Zeitkomponente. Fehler in der Zeitkomponente haben damit starke Auswirkungen auf die zu ermittelnde Höhe, was letztendlich dazu führt, dass die Höhenkomponente gegenüber der Lage ungleich schwieriger bzw. ungenauer zu ermitteln ist. Für die Höhenbestimmung sind Signale niedriger Elevation wichtig, wobei flach einfallende Signale von anderen Fehlereinflüssen (Empfangsverhalten der Antenne, Mehrwegeeffekte und Troposphäre) sehr stark beeinflusst werden. 3.2 Ionosphärische und troposphärische Refraktion Die ionosphärische Refraktion beschreibt die für Mikrowellen dispersive Laufzeitverzögerung und Strahlkrümmung der Signale. Aufgrund der dispersiven (=wellenlängenabhängigen) Eigenschaften der Ionosphäre lassen sich theoretisch die Einflüsse der Ionosphäre unter Nutzung zweier Frequenzen eliminieren. Praktisch bedeutet dies die Nutzung einer Linearkombination der L1- und L2-Signale zur so genannten ionosphärenfreien L0-Lösung. Dabei ist aber Seite 12

12 zu beachten, dass bei einer Linearkombination beider Signale auch die Fehlereinflüsse, insbesondere Mehrwegeeffekte, Antennenmodellfehler und Messrauschen verstärkt werden, wodurch L0-Lösungen empfindlicher auf entsprechende Einflüsse reagieren. Sofern bei kurzen Basislinien von einer sehr geringen ionosphärischen Beeinflussung ausgegangen werden kann, bietet sich eine Einfrequenzlösung an. Mit zunehmender Basislinienlänge wird der ionosphärische Einfluss immer größer (WANNINGER u. a.). Aufgrund der Variabilität der Ionosphäre ist eine Modellierung schwer möglich bzw. für eine Erfassung entsprechender Einflüsse müssen reale Messdaten in Echtzeit vorliegen. Durch die Vernetzung von SAPOS - Stationen wird eine entsprechende Infrastruktur geschaffen, welche eine Echtzeitmodellierung (basierend auf realen Messdaten) ermöglicht. Zwar steigert eine Vernetzung von Referenzstationen die mögliche Genauigkeit am Rover, allerdings können auch hierbei nur lokale Störungen erfasst werden, welche auf eine der Referenzstationen Einfluss haben. Unter dem Begriff der troposphärischen Refraktion wird eine für Mikrowellen nicht dispersive Laufzeitverzögerung bzw. Strahlkrümmung verstanden, deren Ursache in den unteren Schichten der Atmosphäre begründet ist. Die troposphärische Refraktion setzt sich aus einem trockenen und einem feuchten Anteil zusammen. Während der trockene Anteil im Wesentlichen von Luftdruck und Temperatur abhängig ist, liegt die Ursache für den feuchten Anteil im Wasserdampfgehalt der Atmosphäre. Anteilig stellt der trockene Anteil mit 90% gegenüber 10% der feuchten Komponente den Haupteinfluss dar, wobei dieser Anteil aufgrund geringer räumlicher und zeitlicher Veränderungen besser modellierbar ist. Im Allgemeinen wird die troposphärische Refraktion als Laufzeitverzögerung im Zenit geschätzt und durch eine mapping function auf alle Höhenwinkel übertragen, wobei die Wahl der mapping function bzw. des Troposphärenmodells Einfluss auf die geschätzte Laufzeitverzögerung hat. Zur Korrektur der troposphärischen Refraktion können verschiedene Modelle (Hopfield, Niell etc.) angewendet werden. Sofern sich die troposphärische Refraktion auf die Referenzstation und den Rover gleichförmig auswirkt, lassen sich die Einwirkungen bei einer differenziellen GPS-Auswertung sehr stark verringern. Insbesondere bei Netzen mit großen Basislinien bzw. großen Höhenunterschieden ist dies nicht vollständig der Fall, was eine lokale Schätzung von Troposphärenparametern für jede Station erforderlich macht. Verbleibende Restfehler wirken sich dabei stärker auf die Höhe als auf die Lage aus. Die Hauptprobleme bei einer Schätzung von Troposphärenparametern sind die starken Korrelationen zwischen Stationshöhen, Empfängeruhrfehlern, Phasenmehrdeutigkeiten und dem Empfangsverhalten der Antennen. Da die Auswirkungen entsprechender Einflüsse elevationsabhängig (insbesondere Antennenmodelle und Mehrwegeeffekte) sind, müssen für eine Dekorrelation Beobachtungen zur Verfügung stehen, die einen möglichst großen Elevationsbereich und Zeitraum abdecken (ROTHACHER 2004). Der Einfluss von ionosphärischer und troposphärischer Refraktion steigt mit zunehmender Basislänge an und bewirkt eine Laufzeitverzögerung. Kann der ionosphärische Einfluss durch die Nutzung zweier Frequenzen gut ermittelt bzw. eliminiert werden, gilt dies für die troposphärische Refraktion nicht. Aufgrund der geringen Höhe der Troposphäre über der Erdoberfläche wirkt sich diese auf die Höhenkomponente besonders stark aus. Um diesen Einfluss beseitigen zu können, lassen sich nur Modelle einführen bzw. die Troposphärenparameter als Unbekannte schätzen. Seite 13

13 Z d trop Troposphäre e Abb. 2: Auswirkung der Troposphärenkorrektur d trop in Abhängigkeit der Elevation e (nach ROTHACHER 2004) 3.3 Antennenphasenzentrum und Antennenkonfiguration Der geometrische Referenzpunkt (Antennenreferenzpunkt ARP) einer Antenne ist als Schnittpunkt zwischen Stehachse und Unterkante der Antenne definiert. Als eigentlicher Positionssensor innerhalb der Antenne kann die Empfangseinheit (Dipol, Microstrip oder Chip) aufgefasst werden, welche aber konstruktionsbedingt nicht im Antennenreferenzpunkt platziert werden kann. Die beobachteten Messgrößen werden in der Empfangseinheit erfasst, wodurch sich daraus originär abgeleitete Koordinaten auch auf die Empfangseinheit beziehen (vgl. Abb. 3). Für eine Transformation auf den Antennenreferenzpunkt müssen die geometrischen Beziehungen zwischen Antennenreferenzpunkt und Empfangseinheit bekannt sein. Beschrieben werden diese Beziehungen durch drei Zahlen, welche die Ablage der Empfangseinheit gegenüber der Nord-, Ost- und Höhenkomponente beschreiben. Moderne Antennen sind so gefertigt, dass die Ablage in Nord- bzw. Ostrichtung sehr gering ist, wodurch die Lage der Empfangseinheiten nahezu mit den Stehachsen zusammenfällt. Der Höhenoffset kann konstruktiv bedingt nicht beseitigt werden. Fehlerhaft bestimmte Höhenoffsets zwischen Empfangseinheit und Antennenreferenzpunkt wirken sich 1:1 in auf die ermittelte Höhe aus. Abb. 3: Aufbau eines absoluten (links) und relativen (rechts) Antennenmodells Zusätzlich zum konstanten geometrischen Offset ist das elektronische Phasenzentrum eine Funktion der Richtung, was azimut- und elevationsabhängige Korrekturen für die empfangenen Signale erforderlich macht. Die Empfangseigenschaften variieren zwischen unterschiedlichen Antennentypen und auch zwischen Antennen innerhalb einer Serie. Bei einer Beschreibung des Empfangsverhaltens einer Antenne wird von Phasenzentrumsvariation bzw. Phase Centre Variations (PCV) gesprochen (WANNINGER et al. 2006). Die Absolutbeträge der Variationen liegen bei modernen Antennen im Bereich von einigen Millimetern. Obwohl diese Beträge minimal erscheinen, verursachen diese insbesondere bei der Nutzung von L0- Lösungen in Verbindung mit Troposphärenparameterschätzungen sehr starke Veränderungen der Koordinatenlösung. Seite 14

14 Abb. 4: Absolute PCV der L1 verschiedener Antennen (v.l.n.r. Leica AT503, Leica ATX1202, Trimbe TRM GP) Bei einem PCV hat der elevationsabhängige Anteil den weitaus größten Einfluss. Während die Korrektur sehr stark von der Elevation abhängig ist, fallen die azimutalen Variationen eher gering aus. Bei der in Abb. 4 dargestellten Leica ATX1202-Antenne handelt es sich um eine Roverantenne neuester Bauart, während die Leica AT503 und Trimble TRM22020+GP bereits ältere Modelle sind. Die azimut- und elevationsabhängigen Korrekturen der L1- und L2- Frequenzen sind weitgehend unabhängig voneinander. Sofern eine ionosphärenfreie Linearkombination L0 gebildet wird, summieren sich Auswirkungen der Phasenzentrumsvariation im schlimmsten Fall, was zu fehlerhaften (insbesondere in der Höhenkomponente) Koordinatenlösungen führt. Hersteller bieten für Antennenbaureihen Kalibrierdatensätze an, wobei aber selbst die Antennen einer Baureihe nicht immer zu 100% identisch sind. Damit variieren auch die PCV leicht. Für hochgenaue Beobachtungen sollten daher immer individuell kalibrierte Antennen genutzt werden. Sofern mit GPS präzise Höhen bestimmt werden sollen, sind kalibrierte Antennen einzusetzen. Es wird zwischen relativ und absolut kalibrierten Antennen unterschieden (vgl. Abb. 3). Relativ kalibrierte Antennen beziehen sich immer auf eine Referenzantenne. Im Internationalen GPS-Service (IGS) hat sich als Referenzantenne eine Dorn-Margolin AOAD/M_T- Antenne durchgesetzt. Per Definition werden die PCV auf null und die Offsets auf bestimmte Werte gesetzt. Die im Rahmen einer Kalibrierung ermittelten Offsets bzw. PCV sind immer auf die Referenzantenne bezogen. Bei einer absoluten Kalibrierung werden die absoluten Beträge der Phasenzentrumsvariationen und Offsets ermittelt. Sowohl für die relative als auch für die absolute Antennenkalibrierung gilt der Grundsatz, dass konstante Offsets und PCV immer gemeinsam zu nutzen sind, da diese im Rahmen einer Kalibrierung gemeinsam ermittelt werden. Weiterhin ist bei GPS-Auswertungen darauf zu achten, dass Antennenmodelle nicht untereinander gemischt werden. Eine Kombination aus absoluten und relativen Antennenmodellen in einem Netz bewirkt eine Verfälschung der Koordinaten, wobei die Höhenkomponente besonders betroffen ist. Seite 15

15 Abb. 5: Absolute (rechts) und relative (links) PCV der L2 Frequenz einer Trimble Zephyr Antenne Kalibrierungen werden von verschiedenen Kalibrierstellen angeboten und durchgeführt, wobei unterschiedliche Verfahren zum Einsatz kommen. Zwischen den Ergebnissen verschiedener Kalibrierstellen treten im Allgemeinen nur geringe Unterschiede auf, jedoch können sich diese bei L0-Lösungen mit Troposphärenschätzungen (insbesondere bei der Höhe) verstärken. Bei Experimenten innerhalb der BfG wurden durch Antennenmodelle verschiedener Kalibriereinrichtungen Abweichungen in der Größenordnung von über 1cm für eine L0+t Lösung festgestellt. Der Einsatz von Antennenmodellen setzt eine bekannte Ausrichtung der Antennen im Raum voraus, wobei im Normalfall von horizontalen Antennen ausgegangen wird. Sofern Anwendungen auftreten, bei denen sich eine Neigung der Antenne nicht verhindern lässt (z.b. rollendes/stampfendes Schiff), müssten theoretisch die Neigungen erfasst und das Antennenmodell korrigiert werden. Ist dies nicht der Fall, werden falsche Korrekturen an die Messwerte angebracht, was Fehler in den Koordinatenlösungen zur Folge hat. Nicht zu vernachlässigende Effekte sind externe Einflüsse auf die Antenne. Jeder Einfluss, der die elektromagnetischen Empfangseigenschaften der Antenne verändert, hat direkte Auswirkung auf die Koordinatenlösung (insbesondere auf die Höhe). Sofern eine kalibrierte Antenne mit einer Schutzhaube (Radom) ausgestattet wird, verändert diese die Empfangseigenschaften und damit auch die ermittelten Koordinatenlösungen. Ähnliches gilt für Schnee, Eis oder Vögel, wobei in diesen Fällen zusätzlich noch Signalunterbrechungen verursacht werden können (DREWES 2005). 3.4 Mehrwegeeinflüsse, Nahfeld und Abschattungen Unter Umständen werden elektromagnetische Signale in der unmittelbaren Umgebung der GPS-Antennen reflektiert, was zu einer Überlagerung mit dem direkt gemessenen Signal führen kann. Indirekt empfangene Signale weisen dabei einen längeren Signalweg/Laufzeit auf, was verfälschte Streckenmessungen und damit auch Koordinatenlösungen zur Folge hat. Die Größenordung der Mehrwegeeinflüsse liegt im Bereich von einigen Millimetern bis hin zu mehreren Zentimetern, wobei diese Effekte bei Bildung einer ionosphärenfreien L0- Linearkombination noch weiter verstärkt (Faktor 3) werden (ROST 2006). Seite 16

16 Einflüsse der Mehrwegeeffekte lassen sich durch verbesserte Antennenkonstruktionen, reflektorärmere Stationsumgebungen, verbesserte Signalverarbeitungen und verbesserte Auswertealgorithmen zwar verringern, aber nie ganz verhindern. Eine Möglichkeit zur Verringerung von Mehrwegeeffekten besteht darin, GPS-Antennen mit einer geringeren Empfindlichkeit gegenüber Signalen in der Nähe des Antennenhorizontes auszustatten. Insbesondere für Höhenbestimmungen ist dieser Ansatz ungünstig, da gerade Signale mit geringer Elevation für die Höhenbestimmung besonders wichtig sind. Verbesserungen treten bei der Nutzung von Choke-Ring-Antennen auf, wobei aber auch diese keinen Einfluss auf von oberhalb des Antennenhorizontes einstrahlende Signale haben. Mehrwegeeffekte können kurzperiodischer und langperiodischer Natur sein. Kurzperiodische Effekte können durch längere Beobachtungszeiten verkleinert werden, während dies für langperiodische Effekte nur bedingt gilt. Insbesondere sehr langperiodische Effekte bewirken konstante Abweichungen der Koordinatenschätzungen. Verursacht werden diese Abweichungen durch Reflektoren, die sich in der unmittelbaren Umgebung der Antenne (Pfeileroberkante, Dreifuß etc.) befinden. Änderungen im Antennenaufbau bzw. der Antenne an sich bewirken damit auch eine Änderung dieser so genannten Nahfeldeffekte und damit direkte Auswirkungen auf die Koordinaten. Je nach Auswertestrategie und Änderungen der Umgebung können die daraus resultierenden Fehler im Zentimeterbereich liegen. Insbesondere die ionosphärenfreie L0-Lösung in Verbindung mit Troposphärenparameterschätzungen, welche bei großräumigen Netzen anzuwenden sind, reagieren sehr empfindlich gegenüber den beschriebenen Mehrwegeeffekten (WÜBBENA et al. 2006). Sofern Abschattungen auftreten, können diese Signalabbrüche verursachen. Verliert ein Empfänger das Signal, können die ankommenden Wellen nicht mehr kontinuierlich gezählt werden und ein Sprung in den Phasenmessungen von einer ganzzahligen Anzahl (cycle-slip) der Wellenlängen ist die Folge. Insbesondere bei RTK-Anwendungen ist dies ein Problem, da sich die Position des Empfängers laufend ändert. Daneben können Abschattungen auch Reflektoren für nicht abgeschattete Bereiche darstellen, wodurch sich die Mehrdeutigkeitseffekte verstärken können. Durch eine sorgfältige Standpunktwahl lassen sich Mehrwegeeffekte am ehesten verhindern, wobei reflektierende Elemente oberhalb und unterhalb des Antennenhorizontes soweit als möglich verhindert werden sollten. 3.5 Transformation in physikalische Höhensysteme Als Endergebnis liefert GPS Koordinaten in einem kartesisch geozentrischen Koordinatensystem, die wiederum in ellipsoidische Koordinaten bzw. verebnete Koordinaten umgerechnet werden können. Letztendlich sind die Koordinaten und damit auch die Höhenangaben aus GPS immer auf eine rein mathematische Referenzfläche bezogen und damit als amtliches Höhensystem ungeeignet. Um eine Transformation in amtliche und damit auch physikalische Höhen zu ermöglichen, müssen Informationen über Höhenanomalien bzw. Geoidundulationen vorliegen (vgl. Abb. 10). Sofern physikalische Höhen mit Hilfe von GPS bestimmt werden sollen, sind neben den Koordinatenfehlern aus GPS noch die Fehler der Geoidundulation bzw. der Höhenanomalie zu berücksichtigen. Seite 17

17 Abb. 6: Panoramaaufnahme des Messpfeilers 1 (geringe Abschattung) der Teststrecke des LVermGeo RLP Abb. 7: Mit SAPOS -HEPS ermittelte Höhenwerte eines stationären Punktes (Pfeiler 1) Abb. 8: Panoramaaufnahme des Messpfeilers 8 (starke Abschattung im südlichen Bereich) der Teststrecke des LVermGeo RLP Abb. 9: Mit SAPOS -HEPS ermittelte Höhenwerte eines stationären Punktes (Pfeiler 8) mit Abschattung im südlichen Sektor Seite 18

18 Hochwert [m] Höhenanomalie [m] Rechtswert [m] Abb. 10: Höhenanomalien des EGG97 Quasigeoids im Bereich der Deutschen Bucht 4 Zusammenfassung und Ausblick Höhenbestimmungen unter Nutzung von GPS sind prinzipiell möglich. Inwieweit die mit GPS erreichten Genauigkeiten nicht auch mit geringerem Aufwand unter Nutzung klassischer Methoden der Höhenübertragung erreicht werden können, muss vor jeder GPS-Messung untersucht werden. Insbesondere die Bestimmung von ellipsoidischen GPS-Höhen stellt ein großes Problem dar. Im Gegensatz zur Lage lassen sich GPS-Höhen signifikant schlechter bestimmen, wobei die stark verflochtenen Beziehungen zwischen den einzelnen Fehlereinflüssen und deren Auswirkungen insbesondere auf die Höhenkomponente große Probleme bereiten. Die starke Korrelation zwischen dem Empfängeruhrfehler und der Höhenkomponente wirkt sich bei der Höhenbestimmung negativ aus. Für eine Dekorrelation und damit auch für eine sicherer Schätzung des Empfängeruhrfehlers sind tief stehende Signale erforderlich, die wiederum sehr stark von Mehrwegeeffekten und dem Empfangsverhalten der Antenne beeinflusst werden. Bei einer Auswertung großräumiger Netze sind ionosphärenfreie Linearkombinationen (L0-Lösung) erforderlich, die besonders in Verbindung mit Schätzungen von Troposphärenparametern (L0+t Lösung) auftretende Fehler (Mehrwegeeffekte, Antennenmodelle etc.) sehr verstärken (ROTHACHER 2004). In naher Zukunft wird es viele Änderungen im Bereich der globalen Satellitensignale geben. Neben GLONASS und GALILEO wird das amerikanische GPS einer Modernisierung unterzogen. Zusätzlich zu einem zweiten zivilen Signal auf der L2-Frequenz wird eine neue L5- Frequenz eingeführt. Der erste L2C-fähige Satellit wurde im Dezember 2005 für einsatzfähig erklärt. Inwieweit sich dadurch starke Verbesserungen der Positionslösungen ergeben, bleibt abzuwarten, da bereits heute geodätische Empfänger die L2-Frequenz nutzen. Die L5- Frequenz liegt in einem für Luft- und Raumfahrt geschützten Frequenzband und kann damit im Gegensatz zur L2-Frequenz nicht gestört werden. Seite 19

19 Zukünftig werden mit einem voll ausgebauten GLONASS und GALILEO zwei weitere GNSS-Systeme im Orbit bereitstehen. Beide Systeme arbeiten auf ähnlichen Frequenzbändern und nutzen das gleiche Grundprinzip wie GPS. Die für das Nordloch verantwortliche Bahnneigung fällt bei GALILEO mit 56 ähnlich aus, wodurch sich auch hier ein so genanntes Nordloch ergeben wird. Die bisher beschriebenen Fehlereinflüsse bleiben auch bei GALILEO und dem modernisierten GPS erhalten. Insbesondere die bei den für die problematische Höhenbestimmung verantwortlichen Fehlereinflüsse (Empfangsverhalten der Antennen, Mehrwegeeffekte, Empfängeruhrfehler und troposphärische Refraktion) werden bei GALILEO in gleicher Weise auftreten. In naher Zukunft wird es Verbesserungen hinsichtlich der Empfängerentwicklung geben, was eventuell instrumentenspezifische Fehlereinflüsse verringert (z.b. geringere PCV). Erschwerend kommt auf der instrumentellen Ebene hinzu, dass die Antennen/Empfänger ein breites Frequenzspektrum abdecken müssen, was der Forderung nach einer möglichst engen Bandbreite zur Eliminierung von Störeinflüssen widerspricht. GALILEO bietet verbesserte Signalstrukturen, was zu einer Verringerung des Messrauschens von Code-Streckenmessung führt. Weiterhin sendet GALILEO im OpenService zwei zivile Signale auf verschiedenen Frequenzen, was die Erfassung der ionosphärischen Refraktion verbessern wird. Inwieweit sich dadurch spürbare Verbesserungen für die Höhenbestimmung ergeben, muss die Zukunft zeigen. Bereits heutige Systeme nutzen L1- und L2-Signale. Im Bereich der Trägerphasenmessungen dürften keine einschneidenden Genauigkeitsverbesserungen zu erwarten sein (EISFELLER 2006). Allerdings erlaubt die Signalstruktur eine robustere Phasenmessung. Kombinierte GPS/GALILEO- und GLONASS-Empfänger können auf eine Vielzahl von Signalquellen zurückgreifen, was zu einer Verbesserung der Verfügbarkeit führen wird. Durch Kombination von GPS und GALILEO werden doppelt so viele Satelliten verfügbar sein wie bei der Nutzung eines einzigen Systems. Inwieweit sich dadurch auch spürbare Verbesserungen, insbesondere im Bereich der Höhenbestimmung ergeben, bleibt aber abzuwarten. Literatur BECKER, M.: GPS-Modernisierung und ihre Auswirkungen, 66. DVW-Seminar GPS und Galileo. Methoden, Lösungen und neueste Entwicklungen, 2006 DREWES, H.: Probleme bei der Höhenbestimmung mit GPS, Intergeo, Düsseldorf, 2005 EISFELLER, B.: Das Europäische Satellitennavigationssystem Galileo, 66. DVW-Seminar GPS und Galileo. Methoden, Lösungen und neueste Entwicklungen, 2006 Fact Sheet (2004): U.S. Space-Based Positioning, Navigation, And Timing Policy, Dezember 2004 ROST, C.: Konzeptentwicklung für die Integration der GNSS-Ergebnisse des KFKI-Forschungsprojektes IKÜS, 2006 ROTHACHER, M.: Vorlesungsskriptum Wintersemester 2004/2004 Satellitengeodäsie 2, Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie der TU München, Oktober 2004 Seite 20

20 WANNINGER, L.: Concepts of Networked DGPS/RTK and User Communikation Link Options, NTRIP-Symposium: Streaming GNSS Data via Internet, 6./7. Februar 2006, Frankfurt a.m. WANNINGER, L., C. ROST, G. HARTLIEB, M. KÖHR: Zur Problematik des Antennenwechsels auf GNSS-Referenzstationen, ZfV-Ausgabe 4/2006 WANNINGER, L. u.a.: Sensoren und Verfahren der Ingenieurvermessung in Handbuch Ingenieurgeodäsie - Grundlagen, 3. Auflage, Wichmann-Verlag Heidelberg WÜBBENA G., M. SCHMITZ, G. BOETTCHER: Zum Einfluss des Antennennahfeldes, 5. GPS- Antennenworkshop, Frankfurt a.m., 2003 WÜBBENA G., M. SCHMITZ, G. BOETTCHER: Neue Aspekte bei der Stationskalibrierung: Trennung Nahfeld und Fernfeld Multipath, 6. GPS-Antennenworkshop, Bonn, 2006 Jahrgang: 1978 FOTO Studium der Geodäsie an der TU Dresden mit den Vertiefungsrichtungen Ingenieurgeodäsie und Theoretisch-Physikalische Geodäsie Referendariat in der Hessischen Verwaltung für Bodenmanagement und Geoinformation mit den Vertiefungsrichtung Landesvermessung Kontakt: Dipl.-Ing. Robert Weiß Bundesanstalt für Am Mainzer Tor Koblenz Tel.: (0261) Fax: (0261) weiss@bafg.de Seit 2005 Wissenschaftlicher Angestellter der Bundesanstalt für Projektbearbeitung: Seit 2005: IKÜS: Überwachung von Höhenänderungen in der Deutschen Bucht durch Kombination verschiedenster Sensorik Seite 21

21 Antennen- und Mehrwegeproblematik bei der satellitengestützten Höhenbestimmung Lambert Wanninger 1 Einleitung Höhen stellen die schwächste Koordinatenkomponente bei der satellitengestützten Positionsbestimmung dar. Die erzielbaren Genauigkeiten liegen um einen Faktor von drei bis sechs unter denen der horizontalen Komponenten. Hierbei spielt unter anderem die Satelliten- Empfänger-Geometrie, die entscheidenden Einfluss auf die Varianzfortpflanzung der zufällig wirkenden Abweichungen von den Phasenmessungen auf die Koordinaten hat, eine wichtige Rolle. Dieser Einfluss der zufällig wirkenden Messabweichungen auf die Koordinatengenauigkeit wird effektiv durch die Verlängerung der Beobachtungsdauer vermindert. Einen weiteren wichtigen Einfluss auf die Höhe haben Rest-Troposphäreneffekte. Ihre systematische Wirkung kann durch Erweiterung des Auswertemodells um Unbekannte für die troposphärische Zenitverzögerung berücksichtigt werden. Leider schwächt diese Modellerweiterung aber die gesamte Ausgleichung und insbesondere die Höhenkomponente. Um also den systematischen troposphärischen Einfluss korrekt zu erfassen, muss ein verstärkter Einfluss der zufällig wirkenden Abweichungen auf die Höhe in Kauf genommen werden. Auch dies kann durch eine verlängerte Beobachtungsdauer verringert werden. Problematischer sind zwei weitere Einflüsse, die systematische Koordinatenabweichungen erzeugen. Sie werden in diesem Beitrag im Detail betrachtet. Die Antennenphasenzentren der Antennen müssen kalibriert werden und im Auswerteprozess sind die dabei gewonnenen Korrektionen zu berücksichtigen. Restkalibrierabweichungen wirken insbesondere auf die Höhenkomponente. Eine weitere komplexe Problematik entsteht durch Mehrwegeeinflüsse. Diese können durch eine Reihe von Maßnahmen vermindert, jedoch nicht vollständig beseitigt werden. Auch sie wirken besonders stark auf die Höhenkomponente. 2 Antennenphasenzentren und ihre Bestimmung Das mechanische Zentrum von GNSS-Antennen fällt nicht exakt mit dem elektrischen Antennenphasenzentrum zusammen. Darüber hinaus ist das wirksame elektrische Phasenzentrum eine Funktion der Richtung, aus der das Satellitensignal eintrifft (Abb. 1), und auch der Signalfrequenz. Jede bauliche Veränderung der Antennen, z. B. durch eine vergrößerte Grundplatte oder Choke-Ring-Elemente oder einen Radom, führt zu veränderten Antenneneigenschaften und kann nicht mehr als baugleich angesehen werden. Seite 22

22 Abb. 1: Phasenzentrumsoffsets und variationen von GNSS-Antennen Korrektionen für GNSS-Antennen werden durch Kalibrierung bestimmt. Zum Teil kann in Abhängigkeit von den Eigenschaften eines Antennentyps und den geforderten Genauigkeiten auf baugruppenspezifische Korrektionen zurückgegriffen werden. Bei besonders hohen Ansprüchen an die Genauigkeit (z.b. Referenzstationen) sollte immer eine individuelle Kalibrierung durchgeführt werden. Dies wird aber leider bis heute in den internationalen Netzen des IGS (International GNSS Service) und des EPN (EUREF Permanent Network) nicht gefordert (IGS 2004, EPN 2006). Die Korrektionen werden im Allgemeinen in einen Vektor von Phasenzentrumsoffsets und azimut-elevationsabhängige oder zumindest elevationsabhängige Phasenzentrumsvariationen aufgeteilt. Um einen Eindruck der Größenordnungen der Offsetwerte zu vermitteln, werden in Abb. 2 über 160 baugruppenspezifische Lageabweichungen dargestellt, die aus den Kalibrierungen des NGS (National Geodetic Survey, USA) stammen. Sie erreichen bis zu 5 mm in L1 und L2 und verstärken sich bis auf etwa 10 mm in der ionosphärenfreien Linearkombination L0, die für die Koordinatenlösung längerer Basislinien eingesetzt werden muss. Eine entsprechend aussagekräftige Darstellung für die Höhenkomponente ist nicht möglich, da die Höhenoffsetwerte insbesondere von der Wahl des Antennenreferenzpunktes abhängen und somit sehr unterschiedlich ausfallen können. Abb. 2: Absolute Phasenzentrumsoffsets in den horizontalen Komponenten (nach NGS 2005) Seite 23

23 Die elevationsabhängigen Phasenzentrumsvariationen erreichen für Antennen mit großen Grundplatten maximal 1 bis 2 cm in L1 und L2 und verstärken sich aber in L0 auf bis zu einige Zentimeter (Abb. 3, Abb. 4). Bei den in ihren äußeren Dimensionen kleineren RTK- Antennen fallen sie deutlich geringer aus. Dieses ist keine negativ zu bewertende Eigenschaft großer Antennen, sondern zeigt nur auf, dass gerade für diese Antennentypen Antennenphasenzentrumskorrektionen in den Auswerteprozess eingeführt werden müssen. Abb. 3: Elevationsabhängige Phasenzentrumsvariationen, die insbesondere auf die Höhenkomponente wirken (nach NGS 2005) Azimutabhängigkeiten der Antennenphasenvariationen können bis zu einige Millimeter erreichen. Abb. 4 zeigt Beispiele für Antennen mit geringen (rechts) und starken (links) Azimutabhängigkeiten. Abb. 4: Azimut-elevationsabhängige Phasenzentrumsvariationen in L1 für eine Antenne mit großer Grundplatte (geodätische Antenne, links) und eine Antenne mit kleiner Grundplatte (RTK-Antenne, rechts) Momentan werden am häufigsten relative Feldverfahren zur Kalibrierung verwendet. Beim so genannten Roboter-Kalibrierverfahren wird die zu kalibrierende Antenne kontrolliert gedreht und gekippt. Dies ermöglicht eine direkte absolute Kalibrierung und gleichzeitig eine weitgehende Vermeidung von Mehrwegeeinflüssen auf die Antennenkorrektionen (MENGE 2003). Beim einfacheren Verfahren mit Drehung wird auf die Kippung verzichtet. Dadurch gelingen eine direkte absolute Kalibrierung und die praktisch vollständige Elimination der Mehrwege- Seite 24

24 einflüsse in den horizontalen Komponenten jedoch nicht mehr in der Höhenkomponente. Bei Verwendung einer im Roboterverfahren absolut kalibrierten Referenzantenne kann auch hier eine vollständige absolute Kalibrierung der Antenne erreicht werden (WANNINGER 2002, FREVERT u.a. 2006). Noch einfacher ist die relative Kalibrierung ohne Drehung (und Kippung), wie sie vom NGS durchgeführt wird. Hierbei können aber Mehrwegeeinflüsse kaum vermindert werden und aufgrund des Nordlochs in der Satellitenüberdeckung gelingt keine vollständige Modellierung der Antennenphasenzentrumsvariationen inklusive der Azimutabhängigkeiten. Ein weiteres unabhängiges Verfahren, das so genannte Laborverfahren, verwendet ein selbst erzeugtes Messsignal zur Ausmessung der Antenne. Zur Vermeidung von Mehrwegeeinflüssen wird es in mit Absorbermaterial ausgekleideten Laborräumen durchgeführt (GÖRRES u.a. 2006). Wird eine GPS-Antenne individuell und vollständig, d. h. mit Modellierung der azimut- und elevationsabhängigen Phasenzentrumsvariationen, kalibriert, dann ist der zu erwartende Resteinfluss der Antennenphasenzentren auf die Positionslösung abhängig von der Kalibriergenauigkeit. Er liegt für die horizontalen Komponenten in L1 und L2 unter 1 mm, fällt aber für die Höhe etwas größer aus. Deutlich verstärkt wird er bei Bildung der ionosphärenfreien Linearkombination L0 und zusätzlich noch einmal, wenn das Auswertemodell um Troposphärenunbekannte erweitert wird, wie es bei Stationsabständen von mehr als ca. 20 km notwendig ist. 3 Mehrwegeproblematik Mehrwegeausbreitung bedeutet, dass nicht nur das Satellitensignal auf direktem Weg die Empfangsantenne erreicht, sondern auch in der Empfangsantennenumgebung reflektierte Signale, die sich dem direkten Signal überlagern. Inwieweit das direkte Signal verfälscht wird, hängt von den Umweglängen der indirekten Signale, den Reflexionseigenschaften in der Empfangsantennenumgebung und vom Antennenempfangsverhalten ab. Bei starkem Mehrwegeeinfluss werden in der Praxis häufig Abweichungen von 2 bis 3 cm für das L1- bzw. L2-Phasensignal beobachtet. In der ionosphärenfreien Linearkombination L0 verstärken sich diese Einflüsse im statistischen Mittel um einen Faktor von etwa 3. Maximale Phasenmehrwegeeinflüsse werden bei Umweglängen in dm-größenordnung erreicht (Abb. 5). Code-Mehrwegeeinflüsse erreichen ihre Maxima dagegen erst bei Umweglängen von einigen Metern, beruhen also im Wesentlichen auf der Wirkung von weiter entfernten Reflektoren. Alle bekannten Schutzmaßnahmen gegen Mehrwegeeinflüsse (große Antennengrundplatte, Choke-Ring-Elemente auf der Antennengrundplatte, Vermeidung aller Reflektoren über dem Antennenhorizont) helfen zwar die mehrwegebedingten Messabweichungen zu verringern, können diese Problematik aber nicht vollständig beseitigen. So sind z.b. viele GNSS- Referenzstationen von starken Mehrwegeeinflüssen betroffen, die ausschließlich durch Reflektoren unterhalb des Antennenhorizonts verursacht werden (Wanninger und May 2000). Seite 25

25 8 [cm] L 0 L 2 L 1-8 0,0 0,5 1,0 1,5 Umweglänge [m] Abb. 5: Messabweichungen durch Phasenmehrwegeeinfluss als Funktion der Umweglänge des indirekten Signals (Signalstärke des indirekten Signals: 50% der Signalstärke des direkten Signals) Abb. 6: Mehrwegeeinflüsse durch Fernfeld (Umweglänge > 1 m) und Nahfeld (Umweglänge << 1 m) Sind die Reflektoren mehr als wenige Dezimeter von der Empfangsantenne entfernt (Fernfeld), so ändern sich die Umweglängen der indirekten Signalanteile aufgrund der Satellitenbewegung recht schnell, so dass die Mehrwegeeinflüsse einen stark periodischen Charakter aufweisen. Dann ist zu erwarten, dass sich bei längerer statischer Beobachtungsdauer die Wirkung der Mehrwegeeinflüsse auf die Koordinatenlösung aufgrund der Mittelbildung stark vermindert. Trotzdem verbleiben selbst bei langzeitigen Messungen Resteinflüsse von bis zu einigen Millimetern in der ionosphärenfreien Linearkombination L0. Bei Reflektoren im Nahfeld der Antenne (Pfeiler- oder Stativoberkante, Dreifuß) weisen die Messabweichungen langperiodischen Charakter auf, so dass sie als nahezu konstante Abweichungen in die Koordinatenschätzung einfließen. Sie sind dementsprechend schwer in den Messungen zu erkennen. Ihr Einfluss auf die Position (insbesondere die Höhe) erreicht bis zu einigen Millimetern in der ionosphärenfreien Linearkombination L0. Beispiele für die Wirkung des Nahfeldes wurden durch WÜBBENA u.a. (2006) veröffentlicht. 4 Auswirkung auf die Höhenbestimmung Bis vor wenigen Jahren wurde davon ausgegangen, dass bei Verwendung individuell kalibrierter Antennen ein Antennenwechsel auf GPS-Referenzstationen ohne scheinbare Koordinatenveränderungen vonstatten gehen würde. Beispiele der letzten Jahre zeigen aber, dass dies tatsächlich nicht der Fall ist, sondern dass trotz Antennenkalibrierung in der Höhe Sprünge größer als ein Zentimeter auftreten können (WANNINGER u.a. 2006). Dabei ist es unerheb- Seite 26

26 lich, nach welchem Verfahren die Antennen kalibriert wurden. Die Kalibrierrestabweichungen fallen vielfach deutlich geringer aus als die Mehrwegeeinflüsse, die für diese Koordinatensprünge verantwortlich sind. Solche Koordinatenveränderungen zeigen, dass die Höhenkoordinaten systematisch verfälscht sind. Bei einem Antennenwechsel ändern sich im Allgemeinen die Antennengröße, der Abstand zwischen Antennenphasenzentrum und Reflektoren, die Mehrwegeempfindlichkeit der Antenne und ggf. auch die des eingesetzten Empfängers. Dies führt zu einem veränderten Mehrwegeeinfluss auf die Positionsbestimmung. Wie stark die Koordinaten beeinflusst werden, hängt in erster Linie vom Entfernungsbereich und dem daher notwenigen Auswerteansatz ab. Das Beispiel der Tabelle 1 stammt aus dem Ringvergleich von Antennenkalibrierergebnissen, der 2002/2003 durchgeführt wurde. Im zweiten Teil dieses Vergleichs wurden für Testmessungen im Pfeilernetz der Landesvermessung und Geobasisinformation Niedersachsen (LGN) in Hannover GPS-Höhenunterschiede mit nivellierten Sollhöhenunterschieden verglichen (FELDMANN-WESTENDORFF 2003). Die Pfeilerabstände betrugen nur wenige Meter. Für die Ergebnisse in Tabelle 1 wurden neben den Referenzbeobachtungen die Messungen eines Pfeilers ausgewählt. Es kamen drei unterschiedliche geodätische GPS-Antennen (hier mit G1, G2, G3 benannt) zum Einsatz, die jeweils mindestens 24 Stunden betrieben wurden. Ein Antennentyp (G2) war identisch mit dem Typ der Referenzantenne. Die simultanen Beobachtungsdaten wurden basislinienweise u.a. unter Verwendung von Roboter-Kalibrierwerten der Geo++ GmbH, Garbsen und des Programmsystems WaSoft ausgewertet und die Höhenergebnisse mit den Sollhöhenunterschieden verglichen. Es wurden vier verschiedene Lösungstypen berechnet: L1-Lösung (simuliert eine kurze Basislinie), L2- Lösung (wird als Koordinatenlösung im Allgemeinen nicht genutzt), ionosphärenfreie Lösung L0 (simuliert eine lange Basislinie) und ionosphärenfreie Lösung mit Troposphärenschätzung L0+t (simuliert sehr lange Basislinie). Tabelle 1: Abweichungen der GPS-Höhendifferenzen von nivellierten Sollwerten [mm], für verschiedene Antennentypen und Auswerteeinstellungen, Verwendung von Roboter- Kalibrierwerten. Antennentyp L1 L2 L0 L0+T G1 0,4 1,1-0,8 9,2 G2-0,6-0,3-1,1 1,4 G3-0,2 2,1-3,8 10,3 Die Ergebnisse (Tabelle 1) zeigen, dass Mehrwegeeinflüsse systematische Höhenabweichungen in der Größenordnung von 1 cm erzeugen können. Diese werden im normalen Betrieb einer Station nicht erkannt, können dann aber bei einem Antennenwechsel durch Koordinatensprünge in entsprechender Größenordnung deutlich werden. Nur wenn in langen Basislinien oder großräumigen Netzen gearbeitet wird sind diese Sprünge deutlich ausgeprägt, weil man nur dann auf eine Auswertung mit der ionosphärenfreien Linearkombination L0 und zusätzlicher Schätzung von Troposphärenunbekannten angewiesen ist. In sehr kurzen Basislinien und bei einer Auswertung mit L1 bleibt die Abweichung der Höhe von den nivellierten Sollwerten mit weniger als 1 mm sehr gering. Seite 27

27 5 Zusammenfassung und Ausblick Während die Problematik der Antennenphasenzentren durch Kalibrierung der Antennen gelöst werden kann, gibt es für Mehrwegeeinflüsse bisher keine durchgreifende Lösung. Alle bekannten Schutzmaßnahmen gegen Mehrwegeeinflüsse sind hilfreich, die mehrwegebedingten Messabweichungen zu verringern, jedoch können sie diese Problematik nicht vollständig beseitigen. Die Probleme werden besonders bei Antennenwechseln auf permanent betriebenen Referenzstationen deutlich, wenn aufgrund von Mehrwegeeinflüssen scheinbare Höhenänderungen in der Größenordnung von 1 cm auftreten. Kalibrierabweichungen für die Antennenphasenzentren und Mehrwegeeinfluss zählen zu den stationsabhängigen Messabweichungen. In ihrer Wirkung sind aber auch sie in gewissem Maße entfernungsabhängig, weil je nach Stationsabstand andere Modelle der Koordinatenschätzung Anwendung finden müssen. Bei kurzen Basislinien (< 5 km) wird meist eine L1- Koordinatenschätzung vorgenommen und die Einflüsse fallen gering aus. Bei langen Basislinien (5 20 km) verstärken sie sich aber, weil dann auf die ionosphärenfreie Linearkombination L0 zurückgegriffen werden muss. Bei noch längeren Basislinien müssen auch troposphärische Zenitverzögerungen mitgeschätzt werden. Dies verursacht eine weitere Verstärkung der Wirkung auf die Koordinaten im Allgemeinen und insbesondere auf die Höhenkomponente. Literatur EPN: Guidelines for EPN Stations & Operational Centres, EUREF Permanent Network (EPN) Central Bureau, 27. Jan. 2006, FELDMANN-WESTENDORFF, U.: Vergleichstest der Kalibrierverfahren für GPS-Antennen: Teil 2 - Vorhaben und Datensatz. 5. GPS-Antennenworkshop, 3. Nov. 2003, Frankfurt am Main, FREVERT, V., TH. BLUMENBACH, L. WANNINGER: Beschleunigung der Antennen-Feldkalibrierung durch automatisierte Drehung. 6. Antennen-Workshop, 21. September, Geodätisches Institut, Universität Bonn, 2006 GÖRRES, B., J. CAMPBELL, M. BECKER, M. SIEMES: Absolute calibration of GPS antennas: Laboratory results and comparison with field and robot techniques. GPS Solutions 10, S , IGS: IGS Site Guidelines Sept MENGE, F.: Zur Kalibrierung der Phasenzentrumsvariationen von GPS-Antennen für die hochpräzise Positionsbestimmung. Wiss. Arb. der Fachrichtung Vermessungswesen der Universität Hannover Nr. 247, 2003 NGS: GPS Antenna Calibration WANNINGER, L.: Möglichkeiten und Grenzen der relativen GPS-Antennenkalibrierung. zfv 127, S , 2002 Seite 28

28 WANNINGER, L., M. MAY: Carrier Phase Multipath Calibration of GPS Reference Stations. Proc. ION GPS 2000, Salt Lake City UT, , 2000 WANNINGER, L., CH. ROST, G. HARTLIEB, M. KÖHR: Zur Problematik des Antennenwechsels auf GNSS-Referenzstationen. zfv, 131: , 2006 WÜBBENA, G., M. SCHMITZ, G. BOETTCHER: Neue Aspekte bei der Stationskalibrierung: Trennung Nahfeld und Fernfeld Multipath. 6. Antennen-Workshop, 21. September, Geodätisches Institut, Universität Bonn, 2006 Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Lambert Wanninger Geodätisches Institut, TU Dresden Dresden Seite 29

29 Zukunft der Höhenreferenzsysteme Kombination von geometrischen und gravimetrischen Parametern Johannes Ihde Die Ableitung der Form und Größe des Erdkörpers verbindet Geometrie und Gravimetrie. Die Bestimmung der vertikalen Komponente der festen und flüssigen Erdoberfläche und deren Veränderungen ist zentraler Gegenstand der Aufgabe der Geodäsie. Physikalische Höhen waren von jeher eine Kombination von geometrischen und gravimetrischen Messungen und Methoden. Höhenbestimmung ist die Bestimmung des Erdschwerepotenzials Wp und eine Kombination von Positionsbestimmung XP und Schweremessung gp. Mit den geometrischen Methoden der Satellitengeodäsie werden Genauigkeiten bei der Positionierung von etwa 10-9 im globalen und kontinentalen Maßstab erreicht. Das Potenzial des Erdschwerefeldes und damit die physikalische Höhenkomponente, kann nur 2-3 Größenordnungen ungenauer als die geometrischen Parameter bestimmt werden. Weltweit sind einige Hundert Höhenreferenzsysteme und Chart-Datums - durch Anschluss an unterschiedliche Pegel (Niveaudifferenzen bis zu 2 m) - durch geometrisches Nivellement (10-6 ) - zu unterschiedlichen Epochen als statisches System realisiert. Mit der Entwicklung und Verbreitung von Absolutgravimetern und supraleitenden Gravimetern in Kombination mit den Satellitenschwerefeldmissionen CHAMP, GRACE und GOCE wird bei der Ableitung von Parametern des Erdschwerefeldes und seines Potenzials ein erheblicher Fortschritt möglich sein. Im Rahmen IAG-Projektes ICP1.2 Vertical Reference Systems wird gegenwärtig an einem allgemeinen Konzept für die Definition und Realisierung eines globalen Höhenreferenzsystems gearbeitet. Seite 30

30 Definition eines globalen vertikalen Referenzsystems (GVRS) In Übereinstimmung mit den Konventionen des International Earth Rotation and Reference System Service (IERS) von 2003 werden System und Frame unterschieden (GVRS, GVRF): Definition eines GVRS: Konventionen für Datum, Höhen, Behandlung zeitabhängiger Variationen von Parametern Realisierung eines GVRS (GVRF): Konventionen und Spezifikationen für die Verteilung von Stationen, die Auswahl, Analyse und Bereitstellung von Daten Ein globales vertikales Referenzsystem (GVRS) erfüllt, in Anlehnung an die IERS- Konventionen 2003 für das terrestrische Referenzsystem, folgende vier Bedingungen: 1. Das vertikale Datum ist als Equipotenzialfläche definiert. Für sie ist das Potenzial des Erdschwerefeldes konstant: W0 = konstant Das vertikale Datum definiert die Beziehung der physikalischen Höhen zum Erdkörper. W0 muss konventionell vereinbart und reproduzierbar sein. 2. Die Längeneinheit ist Meter (SI). Die Zeiteinheit ist Sekunde (SI). Diese Skale ist konsistent mit der TCG-Zeit für ein geozentrisches System, in Übereinstimmung mit Resolutionen von IAU und IUGG (1991). 3. Die Höhenkomponenten sind Differenzen ΔW0 zwischen dem Potenzial des Erdschwerefeldes WP in einem betrachteten Punkt P und dem Potenzial des GVRS-Nullniveaus W0. Die Potenzialdifferenz ΔW0 wird auch als geopotenzielle Kote c P bezeichnet: -ΔW0 = c P = W0 WP. 4. Das GVRS ist ein zero tidal system, in Übereinstimmung mit der IAG Resolution Nr. 16, die 1983 in Hamburg angenommen wurde. Realisierung eines globalen vertikalen Referenzsystems (GVRF) und Vereinigung von Höhenreferenzsystemen Das Erdschwerepotenzial bzw. Potenzialdifferenzen sind nicht direkt messbar sie sind das Ergebnis einer Integration über den Weg p WP = W0 cp = W0 gdh (Nivellement) 0 Seite 31

31 oder über die Erdoberfläche R WP = UP + TP = UP + ( Δ g + G1 ) ST( ψ ) dσ 4π K (Randwertproblem). σ Der Realisierung und Vereinheitlichung von Höhenreferenzsystemen liegen diese beiden Prinzipien bzw. deren Kombination zugrunde. Auf Kontinenten wird das geometrische Nivellement für die Realisierung genutzt und die Vereinigung durch gemeinsame Ausgleichung von Nivellementsnetzen durchgeführt. Der allgemeine Fall für Realisierung und Vereinigung ist die Kombination von GNSS-Positionierung oder GNSS/Nivellement mit einem globalen Schweremodell (GGM). Die Höhe des Nullpunktes eines regionalen Höhenreferenzsystems H 0,VRF in Bezug auf ein globales Schweremodell GGM kann in einzelnen Punkten i abgeleitet werden aus der GNSS-Höhe im ITRF h i,itrf, der Nivellementshöhe im regionalen Höhenreferenzsystem H i,vrf und der Geoid- bzw. Quasigeoidhöhe N i,ggm : H 0, VRF = hi, ITRF Hi, VRF Ni, GGM. Darüber hinaus können Beobachtungen von Pegeln, die Bestandteil eines Höhensystems sind, in Verbindung mit globalen Modellen der Meeresoberflächentopographie für eine Vereinigung von Höhensystemen verwendet werden. GVRF ein integriertes Referenznetz Ein globales Höhenreferenzsystem wird zukünftig als integriertes Referenznetz realisiert werden. Stationen des IGS TIGA-Pilotprojektes und Stationen mit supraleitenden Gravimetern des Globalen Geodynamischen Projektes GGP in Verbindung mit Absolutschweremessungen können eine erste Realisierung sein. Seite 32

32 Das Deutsche Geodätische Referenznetz GREF ist ein integriertes Echtzeitnetz. Das GREF- Stationsnetz kombiniert verschiedene Beobachtungen: - GNSS (GPS/GLONASS) - Schwere (Absolut- und supraleitende Gravimeter) - Nivellement (Anschluss an das DHHN) - Meereshöhe (Pegel in Kooperation mit der BfG) - lokale Sicherungsnetze - Grundwasser - Meteorologie. GREF trägt zu internationalen Referenzsystemen und Projekten bei (EPN, IGS, TIGA-PP, ECGN). GREF erfüllt in Verbindung mit dem deutschen Quasigeoid GCG05 die Anforderungen zur Transformation des Deutschen Haupthöhennetzes DHHN in ein GVRF. Ausblick Sowohl aus konzeptioneller Sicht als auch von Seiten der Anwender steht außer Frage, dass auch zukünftig physikalische Höhen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Form der Erde und Anwendungen im ingenieurtechnischen Bereich haben werden. International hat man sich bereits verständigt, dass die geopotenziellen Koten Grundlage für ein einheitliches Höhensystem sind. Ausgehend davon können in verschiedenen Ländern, Regionen der Erde und für unterschiedliche Anwendungen verschiedene metrische Höhen abgeleitet werden (Normalhöhen, orthometrische Höhen). Die gemeinsame Bezugsfläche wird zukünftig in Subdezimeter-Genauigkeit mit den Ergebnissen der Satellitenschwerefeldmissionen festgelegt werden können. Entscheidend für die Verknüpfung von geometrischen und physikalischen Parameter ist die Nutzung einheitlicher numerischer Standards für Geometrie und Erdschwerefeld. Das Gleiche trifft für die Anwendung von Reduktionen für die Messungen zu. In diesem Feld wird die IAG in den nächsten Jahren eine Reihe von Entwicklungen zu leisten haben. Seite 33

33 Jahrgang 1951 Kontakt: Dr. Johannes Ihde Bundesamt für Kartographie und Geodäsie Richard-Strauss-Allee Frankfurt Tel: 069/ Fax: 069/ Ausbildung Studium der Geodäsie an der TU Dresden Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Theoretische und Physische Geodäsie der TU-Dresden 1979 Promotion zum Dr.-Ing. an der TU-Dresden 1991 Habilitation an der TU-Dresden Werdegang Wissenschaftl. Mitarbeiter am Forschungszentrum des Kombinates für Geodäsie und Kartographie in Leipzig Leiter der Abteilung Geodäsie des Forschungsinstitutes für Kartographie und Geodäsie Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Angewandte Geodäsie (IfAG) Leiter der Gruppe Entwicklung und Datenmanagement der Abteilung Geodätische Forschung beim IfAG (ab 1997 Bundesamt für Kartographie und Geodäsie - BKG) Seit 2001 Leiter der Abteilung Geodäsie beim BKG Seite 34

34 GPS-Höhenmessungen in der Landesvermessung Niedersachsen Uwe Feldmann-Westendorff und Cord-Hinrich Jahn 1 Einleitung Höhenbestimmungen mit GPS werden in der Landesvermessung Niedersachsen seit Anfang der 1990er-Jahre durchgeführt. Die Nutzung dieses geodätischen Raumverfahrens war für die systematische Erneuerung der TP-Netze bereits Routine geworden, allerdings wurden in der Grundlagenvermessung Lage- und Höhenkomponenten getrennt behandelt. Im wissenschaftlichen Bereich wurde das Potenzial von geometrischen GPS-Höheninformationen für die Geoidmodellierung erkannt, was zu ersten mit dem Nivellementnetz verknüpften GPS-Kampagnen führte (GROTE 1996). Umgekehrt erfolgte anwendungsorientiert die Entwicklung von Vorgehensmodellen zur Überführung von GPS-Höhen in die Gebrauchshöhensysteme (DINTER et al. 1997). Seit Inbetriebnahme des Satellitenpositionierungsdienstes SAPOS in Niedersachsen im Jahr 2002 kann eine stetig wachsende Nachfrage zur präzisen GPS-Höhenbestimmung festgestellt werden. Die Lösung der GPS-Antennenproblematik im vernetzten Referenzstationsnetz durch die so genannte Nullantenne (AdV 2002) sowie die kontinuierliche Qualitätsverbesserung des Geoids (LIEBSCH et al. 2006) sind wichtige Voraussetzungen, die heute die Bestimmung von Gebrauchshöhen in Echtzeit im Genauigkeitsbereich weniger Zentimeter und im Postprocessing von einigen Millimetern ermöglichen. Aus Sicht der Integration der physikalischen und geometrischen Grundlagen der Landesvermessung ist das Projekt der Erneuerung und Wiederholungsmessung des Deutschen Haupthöhennetzes 2006 bis 2011 (DHHN ) von großer Bedeutung (AdV 2005). Neben dem Präzisionsnivellement werden als Innovation epochengleich die Messtechniken GNSS und Absolutgravimetrie eingesetzt (FELDMANN-WESTENDORFF et al. 2006). Es ergibt sich unter anderem die Chance, den von der Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Länder (AdV) angestrebten Einheitlichen Raumbezug des amtlichen Vermessungswesens in der Bundesrepublik Deutschland (AdV 2004) grundlegend umzusetzen. Diese bundeseinheitliche Strategie und der damit verbundene Aufbau des Geodätischen Grundnetzes in Niedersachsen beschreibt der vorliegende Beitrag im ersten Abschnitt. Es folgt ein Bericht über zwei ausgewählte Projekte der Landesvermessung und Geobasisinformation Niedersachsen (LGN) im Bereich der Nordseeküste. Ein kurzer Ausblick auf kommende Arbeiten schließt den Aufsatz ab. Seite 35

35 2 Einheitlicher Raumbezug und Geodätisches Grundnetz Bereits kurz nach der Deutschen Wiedervereinigung im Oktober 1990 fasste die AdV den Beschluss zur Einführung eines einheitlichen dreidimensionalen Bezugssystems in Deutschland (AdV 1991). Die Umsetzung dazu erfolgt in Niedersachsen durch Einführung des Koordinatenreferenzsystems ETRS89 (European Terrestrial Reference System 1989) als neues amtliches Landesbezugssystem im Zusammenhang mit der AFIS-ALKIS-ATKIS-Migration 2007/2008. Auf AdV-Ebene wurde in den letzten Jahren der ursprüngliche Integrationsgedanke zu einer umfassenden Strategie weiterentwickelt, die den gewünschten einheitlichen Raumbezug durch ein bundeseinheitliches homogenes Festpunktfeld verwirklicht, das aus folgenden vier Komponenten besteht (AdV 2004): Geodätisches Grundnetz Höhenfestpunktfeld 1. Ordnung (DHHN92) Schwerefestpunktfeld 1. Ordnung (DSGN94, DHSN96) Referenzstationspunkte (SAPOS ). Die Realisierung ist jeweils in Klammern angegeben, es sind die Normalhöhen im DHHN92, die Schwerewerte im Deutschen Schweregrundnetz 1994 und Deutschen Hauptschwerenetz 1996 sowie die ETRS89-Koordinaten der SAPOS -Referenzstationen. Konzeptionell neu ist das Geodätische Grundnetz, welches der physischen Realisierung und Sicherung des dreidimensionalen Raumbezugs und der Verknüpfung von Raum-, Höhen- und Schwerebezugssystem dient (AdV 2006). Es wird physikalisch fest mit der Erdoberfläche verbunden, flächendeckend eingerichtet, gesichert und erhalten. Die wichtigsten Spezifikationen lauten: maximaler Punktabstand 30 km satellitengeodätische bestimmte Position im ETRS89 mittels Präzisionsnivellement bestimmte physikalische Höhe über NHN im System DSGN94 bestimmte Schwerebeschleunigung. In Niedersachsen ist die Landesvermessung mit der gesetzlichen Aufgabe beauftragt, das Landesbezugssystem vorzuhalten und bereitzustellen. Die Einrichtung eines Grundnetzes wird dazu seit 2001 systematisch vorangetrieben. Es deckt zurzeit mit rund 600 Punkten bei einem Punktabstand von 8-10 km knapp 40% der Landesfläche ab (Abb. 1). Diese hohe Dichte ist vor allem darin begründet, dass mit der weiträumigen Nutzung der satellitengestützten Messverfahren, zum Beispiel im Liegenschaftskataster, die Problematik der anthropogen und tektonisch verursachten Bodenbewegungen immer deutlicher spürbar wird. Da dies selbstverständlich auch nach der Umstellung des Landesbezugssystems auf das homogene ETRS89 so sein wird, können regionale und lokale Veränderungen der Erdoberfläche nur durch entsprechend dicht verteilte repräsentative Grundnetzpunkte aufgedeckt und berücksichtigt werden. Durch ihre Verknüpfung mit dem Höhen- und Schwerefestpunktfeld sind die Grundnetzpunkte zudem hervorragend geeignet, das Quasigeoidmodell und damit die GPS- Höhenbestimmung qualitativ zu sichern. Seite 36

36 Abb. 1: Geodätisches Grundnetz Niedersachsen (GGN, Stand 11/2006) 3 Ausgewählte Projekte im Küstenbereich 3.1 JadeWeserPort Wilhelmshaven 2005 Zur Teilnahme am internationalen Wettbewerb im schnell wachsenden Containerverkehr planen die Bundesländer Niedersachsen und Bremen für Anfang 2007 den Baubeginn des Tiefwasserhafens JadeWeserPort an der Jademündung bei Wilhelmshaven. Für das zurzeit größte Infrastrukturprojekt Norddeutschlands wird im Rahmen einer Gesamtinvestition von ca. 900 Mio. EUR eine 320 ha große Seefläche durch den Einbau von Spundwänden im Stahlwasserbau gewonnen und anschließend mittels umfangreicher Sandaufspülungen und Stahlbetoneinbauten befestigt. Damit entsteht seeseitig eine Kajenlänge von 1725 m bei einer Sohltiefe von 18,50 m unter Seekartennull (SKN) (Abb.2). Die Inbetriebnahme des Tiefwasserhafens ist für 2010 vorgesehen (JadeWeserPort 2006). Abb. 2: Geplante Aufspülfläche vor dem Voslapper und Rüstersieler Groden für den Tiefwasserhafen Wilhelmshaven aus Richtung Süden (JadeWeserPort 2006) Seite 37

37 Die LGN wurde im Jahr 2005 mit der Bereitstellung des Landesbezugssystems in Gestalt eines hochgenauen 3D-Grundlagennetzes und der besonders konfigurierten und gesicherten lokalen Versorgung mit SAPOS -Korrekturdaten für die Bauphase beauftragt. Grundlagennetz Das Grundlagennetz umfasst neun Übergabepunkte auf der Eindeichung einer in den 1960erund 70er-Jahren durch Landgewinnung entstandenen ca. zwei mal fünf km großen Landfläche, einem so genannten Groden. Außerhalb des Projektgebietes liegende GPS-Punkte dienen neben fünf SAPOS -Referenzstationen der rückwärtigen Sicherung des Netzes in zum Teil geologisch stabileren Bereichen (Abb. 3). Abb. 3: Grundlagennetz (GPS) Jade- WeserPort 2005 und seine regionale Einbindung (ohne SAPOS - Referenzstation 0646 Aurich) Als Übergabepunkte wurden vorhandene amtliche Höhenfestpunkte 2. und 3. Ordnung des lokalen Festpunktfeldes ausgewählt, die eine hohe Standsicherheit (Rohrfestpunkte, Pfeilerbolzen, Leuchtbolzen) und optimale Bedingungen für GPS (geringe Abschattungen im Deichland) aufweisen (Abb. 4). Abb. 4: Rohrfestpunkt 336 mit Blick in Richtung Süden auf die heutige Niedersachsenbrücke (südliche Einfassung der geplanten Aufspülfläche) Seite 38

38 Für die Bestimmung hochgenauer dreidimensionaler Koordinaten im Bezugssystem ETRS89 wurden statische Messungen von zeitgleich bis zu zehn mobilen GPS-Empfängern mit individuell roboterkalibrierten Antennen durchgeführt. Die Kampagne dauerte fünf Tage mit insgesamt sieben fünfstündigen Sessionen, in denen alle Punkte mehrfach besetzt und die Antennenhöhen nivelliert wurden. Zeitgleich wurden die Gebrauchshöhen (Normalhöhen über NHN) der neun Übergabepunkte durch ein Präzisionsnivellement überprüft bzw. neu bestimmt. Als Standardabweichung für einen Kilometer Doppelnivellement wurde 0,44 mm erreicht und für die mittlere Standardabweichung der ausgeglichenen Normalhöhen 2,6 mm geschätzt. GPS-Auswertung Die Auswertung der GPS-Daten wurde mit dem Programmsystem GEONAP (WÜBBENA 1989) durchgeführt. Dem hohen Genauigkeitsanspruch folgend gestaltete sich der Auswerteansatz wie folgt: Eingangsdaten Undifferenzierte Beobachtungen ab 8 Elevation (gewichtet) Präzise IGS-Ephemeriden (finals) Individuelle absolute Antennenkalibrierungen (Roboter) Parameterschätzung Stationskoordinaten mit vollständiger Kovarianzmatrix Ionosphärenparameter (breitenabhängig, stochastisch) Troposphärenparameter (stationsabhängig, stochastisch) Empfänger- und Satellitenuhrparameter Trägerphasenmehrdeutigkeiten (simultane Zweifrequenzlösung) Netzausgleichung Strenge Multisessions-Ausgleichung (frei) Netzlagerung 7P-Transformation auf SAPOS -Referenzstationen und C-Netz-Punkten. Zur Beseitigung des Störeinflusses der Ionosphäre wurde für die sessionsweise Schätzung der Stationskoordinaten die ionosphärenfreie Linearkombination L0 genutzt. Aus der abschließenden Netzausgleichung resultiert eine Genauigkeit von durchschnittlich 4,0 mm Standardabweichung für die ellipsoidischen Höhen der Übergabepunkte (Abb. 5). Die mittleren Restklaffungen der 7-Parameter-Transformation auf die amtlichen ETRS89-Koordinaten der fünf regional benachbarten SAPOS -Referenzstationen und zwei Punkten der Hierarchiestufe C (Grundnetz 97) betragen 2,6 mm, 1,9 mm und 7,0 mm in der Nord-, Ost- und Höhenkomponente. Überführung in Normalhöhen In der Ausgleichung des Nivellementnetzes mit HANNA (Hannoversches Netzausgleichungsprogramm) konnten die vorhandenen amtlichen Normalhöhen der zum Anschluss genutzten Rohrfestpunkte im Rahmen der Fehlergrenzen bestätigt werden. Aus diesem Grund wurden sie festgehalten, so dass die Nachbarschaft zum lokal vorhandenen Höhenfestpunktfeld gewahrt blieb. Seite 39

39 Zusätzlich wurden für einen Vergleich physikalische Höhen aus den gemessenen ellipsoidischen GPS-Höhen (ETRS89) unter Nutzung des German Combined QuasiGeoid 2005 (GCG05) (LIEBSCH et al. 2006) erzeugt. Dieses Geoidmodell ist passpunktfrei ohne Niveauverschiebung und Neigungskorrektur anzuwenden, wenn die zu überführenden ETRS89- Koordinaten an amtlichen Festpunkten oder SAPOS -Referenzstationen angeschlossen wurden. Die Genauigkeit der Höhenanomalien wird im Flachland mit 1 cm abgeschätzt. Abb. 5: Abweichungen der Normalhöhen und Genauigkeit der ellipsoidischen Höhen SAPOS, Grundnetz 97 (links) und Grundlagennetz (rechts) In Abbildung 5 ist links zu erkennen, dass die SAPOS -Referenzstationen Cuxhaven, Aurich, Wilhelmshaven und Carolinensiel sowie ein benachbarter Grundnetz 97-Punkt im Bereich von -1 mm bis +6 mm sehr gut zu ihren durch frühere nivellitische Anschlussmessungen an das Höhenfestpunktfeld bestimmten amtlichen Soll-Höhen (Höhenstatus 160) passen. Im Gegensatz dazu zeigen rechts die Punkte des Grundlagennetzes eine systematische Ablage (blauer Pfeil) zwischen -7 mm und -17 mm, wobei die hohe Relativgenauigkeit zwischen diesen Punkten jedoch gewahrt bleibt. Die Ursachen für diese Erscheinung sind noch nicht geklärt. Als Erstes könnte eine über mehrere Jahrzehnte entstandene flächenhafte Setzung des Grodens vermutet werden. Dagegen lässt sich jedoch einwenden, dass die beiden weiter westlich von Wilhelmshaven an einer Nivellementlinie 1. Ordnung gelegenen Punkte (vgl. Abb. 3) gleichermaßen von der systematischen Abweichung betroffen sind. Weiterhin befindet sich im Raum Wilhelmshaven eine große Kaverne zur Rohstoffeinlagerung, deren Einfluss nach bisherigen Erkenntnissen allerdings nicht bis in das Gebiet des Grundlagennetzes hinein reicht. Zur Absicherung des GCG05 wurde die Überführung unabhängig mit dem EGG97 (European Gravimetric Geoid 1997) überprüft und bestätigt. Die Widersprüche bewegen sich dabei im Bereich von unter 2 mm. Weitere Untersuchungen können vorgenommen werden, wenn 2007 die in diesem Bereich der Küste geplanten Präzisionsnivellements im DHHN durchgeführt werden. Seite 40

40 Versorgung mit Echtzeit-Korrekturdaten Mit dem SAPOS -Korrekturdatendienst HEPS (Hochpräziser Echtzeit Positionierungs- Service) können sämtliche Positionierungsaufgaben während der Bauphase effizient erledigt werden. Die Anwendungen reichen von Aufgaben im Liegenschaftskataster (z. B. Grenzherstellung), über Ingenieurvermessungen (z. B. Trassenabsteckung) bis hin zu hydrographischen Anwendungen (z. B. Nassbaggerei). Für das Vorhaben JadeWeserPort stellt die LGN Korrekturdaten im Format RTCM 2.3 zur Verfügung, die speziell für das Projektgebiet aufbereitet und mit hoher Verfügbarkeit vorgehalten werden. Die Umsetzung erfolgt primär über einen kombinierten VRS/FKP-Korrekturdatenstrom (Virtuelle Referenzstation/Flächenkorrekturparameter), der aus der SAPOS - Vernetzung Niedersachsen heraus permanent über eine 70-cm-Funk-Frequenz in das Projektgebiet hinein gesendet wird (Abb. 6). Eine zweite, unabhängige lokale Referenzstation erzeugt parallel einen weiteren RTK-Korrekturdatenstrom (unvernetzt) auf einer zweiten Sendefrequenz, auf die bei einem Vernetzungsausfall automatisch umgeschaltet wird. Somit ist es bei einer hohen Ausfallsicherheit möglich, eine unbegrenzte Anzahl von Echtzeit-Nutzern in allen Genauigkeitsklassen zu jeder Zeit mit Korrekturdaten sowohl für den statischen als auch kinematischen Einsatz zu versorgen. Für die Transformation der originär im ETRS89 vorliegenden Koordinaten in das Landesbezugssystem steht den Nutzern ein einheitlicher 7-Parametersatz zur Verfügung. Abb. 6: Oberfeuer Voslapp (links) zur Aufnahme der lokalen Referenzstation und Aussendung der Korrekturdaten in das Projektgebiet (rechts, Höhe 60 m über Grund) Seite 41

41 3.2 Stromübergang über die Elbe bei Scheelenkuhlen 2006/2007 Im Zuge der Präzisionsnivellements zur Erneuerung des DHHN müssen in den kommenden Jahren an der deutschen Küste große Stromübergänge und Höhenübertragungen auf Inseln gemessen werden. Dabei sind Distanzen von 2 km und mehr zu bewältigen. Das im zweiten Nordseeküsten-Nivellement (NKN II) vom Institut für Angewandte Geodäsie (IfAG) an der Elbe eingesetzte Verfahren des Hydrostatischen Nivellements (Abb. 7) (ADOLPH 1955) steht heute praktisch nicht mehr zur Verfügung. Der klassische nivellitische Stromübergang bei derart großen Entfernungen ist wirtschaftlich sehr aufwändig (BÖHLICKE 1932, HERING 1957). Aus diesen Gründen liegt der Einsatz einer zeitgemäßen GNSS-Quasigeoid Kombination nahe, was angesichts der Genauigkeit der Referenzlösungen (Tabelle 1) jedoch noch weiter optimiert werden muss. Abb. 7: Auslegen des Schlauches durch den Kabelleger gegenüber dem nördlichen Elbufer beim Übergang Julssand (Schleswig-Holstein) (ADOLPH 1955) Tabelle 1: Stromübergänge an der Elbe bei Scheelenkuhlen 1931 bis 2007 Jahr Länge Genauigkeit Verfahren Quelle m ± 1,5 mm nivellitisch BÖHLICKE m ± 0,6 mm nivellitisch HERING m ± 3,1 mm hydrostatisch ADOLPH k. A. k. A. hydrostatisch NLVWA > 2 km? GNSS/TZK Im Rahmen gemeinsamer Projekte der LGN mit dem Institut für Erdmessung (IfE) der Universität Hannover und der Geo++ GmbH in Garbsen wurde die Idee einer Verknüpfung von hochgenauen geometrischen Höhenunterschieden aus GNSS-Beobachtungen mit hochpräzisen Lotabweichungsdaten aus TZK2-D-Messungen (Transportable Zenitkamera) (HIRT 2004) entwickelt. Hierzu laufen seit 2006 Voruntersuchungen, die unter anderem die Kalibrierung des Nahfeldeffektes von GNSS-Antennen set-ups (Antenne, Dreifuß, Stativteller) auf einem Kalibrierroboter (WÜBBENA et al. 2006) und in situ auf SAPOS -Referenzstationen sowie ausgedehnte Testmessungen auf einem GNSS/NIV/TZK-Testprofil bei Hannover umfassen. Ziel ist es, unter wirtschaftlich vertretbaren Bedingungen in einen Genauigkeitsbereich für den schwerefeldbezogenen Höhenunterschied von 1-2 mm zu gelangen. Seite 42

42 Exakt 75 Jahre nach dem ersten Stromübergangsnivellement im NKN I konnte 2006 das für die lokale Schwerefeldbestimmung notwendige TZK-Profil an der Elbe in zwei Nächten vollständig beobachtet werden (Abb. 8). Die GNSS-Messungen von voraussichtlich 72 Stunden Dauer sollen nach Abschluss der Voruntersuchungen 2007 folgen. Darüber hinaus ist beabsichtigt, gemeinsam mit weiteren Partnern aus der Wissenschaft unabhängige Vergleiche mit einem modernisierten nivellitischen Stromübergangsverfahren durchzuführen. Praxisbezogene Forschungsprojekte dieser Art sind seitens der AdV und der Deutschen Geodätischen Kommission (DGK) im Rahmen des Projektes DHHN besonders erwünscht. Abb. 8: Stromübergang 1931 über die Elbe bei Scheelenkuhlen (links) und TZK2-D-Profil 2006 (rechts) 4 Ausblick Die Einrichtung des Geodätischen Grundnetzes in Niedersachsen wird aus heutiger Sicht in etwa sechs bis sieben Jahren flächendeckend mit ca Punkten abgeschlossen sein. Aus der für 2008 im DHHN-Projekt geplanten bundesweiten GNSS-Kampagne liegen 30 der insgesamt 250 hochgenauen GNSS/Niv/Schwere-Punkte in Niedersachsen. Sie verknüpfen im Sinne der AdV-Strategie zum Einheitlichen Raumbezug epochengleich das Raum-, Höhen- und Schwerebezugssystem. Gleichzeitig engagiert sich Niedersachsen durch zusätzliche Präzisionsnivellements an der Nordseeküste für eine vierte Epoche des NKN (SCHENK und JAHN 2006). Neben der Diagnose des heutigen Haupthöhennetzes ist die Schaffung eines homogenen Datensatzes zur hochgenauen Geoidmodellierung und damit zur weiteren Verbesserung der Höhenbestimmung mit SAPOS ein weiteres Ziel des DHHN-Vorhabens. Ergänzend zu dieser Qualitätsoffensive wird die LGN im Jahr 2007 das niedersächsische SAPOS -Referenzstationsnetz vollständig auf GPS-GLONASS-Technik ausbauen. Seite 43

43 Literatur ADOLPH, H.-H.: Hydrostatischer Stromübergang. Bericht über die Messungen des IfAG an der Niederelbe im Mai Interner Bericht des Instituts für Angewandte Geodäsie (IfAG), AdV (1991): Beschluss 26/2: Einheitliches Bezugssystem im vereinigten Deutschland und in Europa. 88. Tagung des Plenums der AdV vom 06. bis 08. Mai 1991 in Saarbrücken. AdV (2002): Beschluss 110/5: Kalibrierung von Antennen auf SAPOS -Referenzstationen Tagung des Plenums der AdV am 25. und 26. April 2002 in Saarbrücken. AdV (2004): Beschluss 115/7: Strategie für den einheitlichen Raumbezug des amtlichen Vermessungswesens in der Bundesrepublik Deutschland Tagung des Plenums der AdV am 02. und 03. Oktober 2004 in Wismar. AdV (2005): Beschluss 116/14: Erneuerung des DHHN Tagung des Plenums der AdV am 27. und 28. April 2005 in Bonn. AdV (2006): Richtlinien für den einheitlichen Raumbezug des amtlichen Vermessungswesens in der Bundesrepublik Deutschland (Stand ). Umlaufbeschluss 03/2006 des Arbeitskreises Raumbezug der AdV. BÖHLICKE, O.: Das Nivellement über die Unterelbe im Sommer Mitteilungen des Reichsamtes für Landesaufnahme (RfL), 1932/33. DINTER, G., M. ILLNER, R. JÄGER, G. SCHMITT: Entwicklung und softwaremäßige Realisierung eines allgemeinen Modells zur Überführung von GPS-Höhen in Gebrauchshöhensysteme. Bericht des Geodätischen Instituts der Universität Karlsruhe, FELDMANN-WESTENDORFF, U., G. LIEBSCH, M. SACHER, J. IHDE: Modernization of the German Height Reference Frame. Poster-Präsentation, International IAG / FIG Symposium Geodetic Reference Frames GRF2006, Oktober 2006, München. GROTE, T.: Regionale Quasigeoidmodellierung aus heterogenen Daten mit cm -Genauigkeit. Wissenschaftliche Arbeiten der Fachrichtung Vermessungswesen an der Universität Hannover, Nr. 212, HERING, W.: Der nivellitische Stromübergang über die Elbe bei Scheelenkuhlen. In: Die Höhenmessungen über die Elbe im Zuge des zweiten Nordseeküsten-Nivellements in den Jahren 1954 und 1955, Niedersächsisches Landesvermessungsamt und Landesvermessungsamt Schleswig-Holstein, HIRT, C.: Entwicklung und Erprobung eines digitalen Zenitkamerasystems für die hochpräzise Lotabweichungsbestimmung. Wissenschaftliche Arbeiten der Fachrichtung Vermessungswesen an der Universität Hannover, Nr. 253, JadeWeserPort Realisierungs GMBH & CO. KG: Internetpräsentation abgerufen am LIEBSCH, G., U. SCHIRMER, J. IHDE, H. DENKER, J. MÜLLER: Quasigeoidbestimmung für Deutschland. 66. DVW-Seminar GPS und GALILEO, Deutscher Verein für Vermessungswesen e. V. - Gesellschaft für Geodäsie, Geoinformation und Landmanagement, , Darmstadt, Schriftenreihe 49/2006, S Seite 44

44 NLVWA: Interne Unterlagen der Rechenstelle DHHN85 beim Niedersächsischen Landesverwaltungsamt (NLVwA), Abteilung Landesvermessung, SCHENK, A., C.-H. JAHN: Das Integrierte Höhenüberwachungssystem für die Küstenzone - IKÜS. Veröffentlichungen zum Symposium Geoinformationen für die Küstenzone, , HafenCity Universität Hamburg, Druck in Vorbereitung. WÜBBENA, G.: The GPS Software Package GEONAP Concepts and Models. Proceedings of the Fifth International Symposium on Satellite Positioning, Las Cruces, New Mexico, S , WÜBBENA, G., M. SCHMITZ, G. BÖTTCHER: Near-field Effects on GNSS Sites: Analysis using Absolute Robot Calibrations and Procedures to Determine Corrections. Poster- Präsentation, IGS Workshop 2006 Perspectives and Visions for 2010 and beyond, Mai 2006, ESOC, Darmstadt, Germany. Dipl.-Ing. Uwe Feldmann-Westendorff Kontakt: Dipl.-Ing. Uwe Feldmann-Westendorff Landesvermessung und Geobasisinformation Niedersachsen Podbielskistr Hannover Tel.: Fax: uwe.feldmann-westendorff@ lgn.niedersachsen.de Studium des Vermessungswesens an der Fachhochschule Hamburg Geo++ GmbH / GeoService GmbH Garbsen GPS-Postprocessing (z. B. DREF91) Kinematische GPS-Anwendungen (z. B. Gleismesssystem) GPS-Grundlagen- und Ingenieurnetze Mitarbeit im Forschungsprojekt Hochpräziser und Permanenter Positionierungsservice (HPPS) (LGN) seit 2000 Landesvermessung + Geobasisinformation Niedersachsen, Abteilung Landesbezugssystem - Bereich Landesbezugssystem, Koordinierung und Anwendungsentwicklung SAPOS und GPS-Antennenkalibrierung GNSS-Höhenbestimmung Transformationsmodell zur Umstellung des amtlichen Landesbezugssystems nach ETRS89_UTM seit 2002 Leitung der AdV-Projektgruppe Erneuerung und Wiederholung des DHHN Seite 45

45 Dr.-Ing. Cord-Hinrich Jahn FOTO Kontakt: Dr.-Ing. Cord-Hinrich Jahn Landesvermessung und Geobasisinformation Niedersachsen Podbielskistr Hannover Tel.: Fax: lgn.niedersachsen.de Studium des Vermessungswesens an der Universität Hannover Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Erdmessung der Universität Hannover in den Arbeitsbereichen Ausbildung und Organisation Geodätische Astronomie und Satellitengeodäsie GPS in geodynamischen Gebieten Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Erdmessung der Universität Hannover in einem DFG geförderten Projekt Referendariat bei der Bezirksregierung Hannover Niedersächsisches Landesverwaltungsamt, Abt. Landesvermessung, seit 1997 LGN Forschungsprojekte Hochpräziser Permanenter Positionierungsservice (HPPS) I, II Mitarbeiter im Bereich 31, Anwendungsentwicklung und Raumbezugssysteme der LGN Leiter der Stabsstelle der LGN seit 2005 Leiter der Abteilung Landesbezugssystem der LGN Seite 46

46 GPS-Höhenmessungen in der Landesvermessung Rheinland-Pfalz Gerhard Berg 1 Einleitung Gemäß dem Landesgesetz über das amtliche Vermessungswesen von Rheinland-Pfalz hat das LVermGeo den Auftrag, den vermessungstechnischen Raumbezug so einzurichten und zu erhalten, dass jede Position nach ihrer Lage, ihrer Höhe und ihrer Schwere bestimmt werden kann. Bezüglich der Datenerhebung, -führung und -bereitstellung wird gefordert, dass der jeweilige Stand von Wissenschaft und Technik beachtet wird. Was die Bestimmung der Lage betrifft, können GPS-Nutzer spätestens seit der Verfügbarkeit des bundesweiten SAPOS -Dienstes die Lagegenauigkeit durch Wahl eines der drei angebotenen SAPOS -Servicebereiche anforderungsgerecht zwischen Meter- und Subzentimetergenauigkeit dosieren. Im Prinzip gilt dies auch für Höhenbestimmungen mittels GPS. Allerdings sind hier einige Besonderheiten bzw. Einschränkungen zu beachten: So werden Höhen in der Regel um mindestens eine Größenordnung genauer benötigt als die Lage, systembedingt ist die mit GPS erzielbare Höhengenauigkeit allerdings um den Faktor 2 bis 3 schlechter als die Lagegenauigkeit. Und schließlich haben die Höhen, anders als die Lage keine mathematisch-geometrische (Ellipsoid), sondern eine physikalisch definierte Bezugsfläche (Geoid bzw. Quasigeoid). 2 Frühere Arbeiten des LVermGeo Schon bald nach Einführung der GPS-Technik zu Beginn der 1990er-Jahre hat das LVermGeo mit Untersuchungen begonnen, ob die neue Technik auch für die Bestimmung von Höhen im Landessystem genutzt werden kann. Besonders zu erwähnen sind folgende umfangreichere Arbeiten: Die gemeinsam mit der Universität der Bundeswehr in den Jahren 1993/94 durchgeführten Untersuchungen auf der Testschleife Koblenz. Die GPS-Höhenmessungen 1995 im Raum Mainz/Wiesbaden zusammen mit dem Hessischen Landesvermessungsamt und der Bundesanstalt für. Die in den Jahren 1998/99 durchgeführten GPS-Niv-Projekte in den Bereichen Worms und Wissen. Seite 47

47 Letztlich kamen die Untersuchungen zu dem Ergebnis, dass mit GPS-Technik zwar durchaus Höhengenauigkeiten von 1 bis 3 cm erzielbar sind. Um solche Genauigkeiten zu erreichen, ist allerdings ein so hoher Aufwand zu treiben, dass GPS-Höhenmessungen gegenüber dem klassischen Präzisions- bzw. Schnell-Nivellement (noch) keine wirtschaftliche Alternative darstellen. In der Zeit seit der letzten größeren Untersuchung des LVermGeo hat es in der GPS-Technik bedeutende Fortschritte gegeben, u.a. steht zwischenzeitlich der SAPOS -Dienst operationell zur Verfügung. Unter Berufung auf den gesetzlichen Auftrag ( Datenerhebung entsprechend dem jeweiligen Stand von Wissenschaft und Technik ) war es also an der Zeit, das Potenzial der GPS-Technik für die Höhenbestimmung erneut zu überprüfen. Entsprechende Testmessungen und Untersuchungen wurden gemeinsam mit der Bundesanstalt für (BfG) durchgeführt. 3 Durchgeführte Testmessungen Die Testmessungen wurden Anfang Juli 2006 auf dem Eichnetz des LVermGeo in Polch durchgeführt. Testnetz Polch TK 25, Blatt 5609, 5610, 5709 und 5710 Legende Punktgruppe A (Pfeiler 1, 2, 5, 9 ) Punktgruppe B (Pfeiler 3, 7, 8, 12 ) sonstige Punkte des Eichnetzes Polch (unbenutzt) Das Eichnetz Polch dient primär der Eichung und Prüfung der Tachymeter und GPS-Ausrüstungen, die für amtliche Vermessungen eingesetzt werden. In die Testmessungen wurden acht von 13 Beobachtungspfeilern einbezogen. Diese acht Punkte werden fortan als Testnetz Polch bezeichnet. Jeder Pfeiler des Testnetzes ist gleichzeitig auch Niv-Punkt 1. Ordnung. Um für Vergleichszwecke aktuelle Sollhöhen zu haben, wurden die Landeshöhen der Testpfeiler wenige Tage nach den GPS-Höhenmessungen per Präzisionsnivellement neu bestimmt. Die acht Punkte des Testnetzes Polch lassen sich in zwei Punktgruppen aufteilen: Seite 48

48 Die Punktgruppe A (Pfeiler 1, 2, 5 und 9) weist optimale GPS-Tauglichkeit auf. Drei der vier Pfeiler der Punktgruppe B (Pfeiler 3, 7, 8 und 12) besitzen wegen Bewuchses in der Nähe nur eingeschränkte GPS-Tauglichkeit. Mit Abschattungen und Mehrwegeeffekten muss gerechnet werden. Für die Testmessungen standen acht Trimble-Ausrüstungen 5700 Serie mit Antennen Trimble Zephyr Geodetic TRM sowie vier Leica-Ausrüstungen GX1230 GG mit Roverantennen AX1202 GG zur Verfügung. Sämtliche Antennen waren kalibriert. Folgende Messungen wurden durchgeführt: Tag Besetzte Pfeiler GPS-Ausrüstung Art der Messung Beobachtungsdauer Mo alle 8 Pfeiler Trimble statisch 2 x 2 Stunden Di Pf. (PGr. A) Leica statisch 2 x 2 Stunden Mi Pf. (PGr. B) Leica statisch 3 Stunden Mi Pf. (PGr. A) Leica SAPOS -HEPS 2 x ½ Stunde Mi Pf. (PGr. B) Leica SAPOS -HEPS 2 x ½ Stunde Die Messung der Instrumentenhöhen (Übertragung der Höhe von den Niv-Bolzen zu den Antennenreferenzpunkten) erfolgte mittels Nivellement und Schieblehre. 4 Quasigeoidmodelle in Rheinland-Pfalz Für die Überführung von mit GPS-bestimmten ellipsoidischen Höhen in physikalisch definierte Landeshöhen (Normalhöhen) wird ein Quasigeoidmodell benötigt. In Rheinland-Pfalz kommen für die Überführung derzeit zwei verschiedene Quasigeoidmodelle in Frage: das vom BKG und vom IfE berechnete und im August 2005 veröffentlichte GCG05 die im April 2005 neu berechnete DFHBF_RP GCG05: German Combined QuasiGeoid 2005 DFHBF_RP: Digitale Finite Element Höhenbezugsfläche Seite 49

49 Für beide Quasigeoidmodelle wird eine Genauigkeit von 1 bis 2 cm angegeben. In ihrer Grundstruktur gleichen sich beide Modelle. Landesweit bestehen allerdings Unterschiede zwischen -5,6 cm und +3 cm. Die größten Abweichungen treten im Bereich der Landesgrenzen zu Luxemburg und Frankreich auf. Im Bereich des Testnetzes Polch weichen das GCG05 und die DFHBF_RP fast konstant um 1,1 bis 1,2 cm voneinander ab. Von Bedeutung ist insbesondere die Tatsache, dass die Neigung der beiden Flächen entlang der überwiegend linienhaft verteilten Testpfeiler praktisch gleich ist. 5 Auswertungen der Echtzeitmessungen (SAPOS -HEPS) Die Punkte des Testnetzes Polch wurden in zwei Sessions (Vormittag, Nachmittag) im Abstand von sechs Stunden (vollständig andere Satellitengeometrie) jeweils für die Dauer von 30 Minuten unter Nutzung von SAPOS -HEPS-Korrekturdaten beobachtet. Dabei wurde mit einer Elevationsmaske von 6 gearbeitet. Die Registrierung der Koordinaten erfolgte im Sekundentakt. Die Beobachtungen wurden mit den Leica-Ausrüstungen durchgeführt. Die Punktgruppen A und B wurden mit einstündiger zeitlicher Versetzung beobachtet. Die Grafiken dieses Abschnitts sowie die zu Grunde liegenden Auswertungen wurden freundlicherweise von Herrn Robert Weiß (BfG) bearbeitet. Mit SAPOS-HEPS ermittelte ellipsoidische Höhe des ARP auf Pfeiler 1 - Session 1 Mit SAPOS-HEPS ermittelte ellipsoidische Höhe des ARP auf Pfeiler 1 - Session 2 ellipsoidische Höhe [m] 265, , , , , , , , , , ,250 6,30 6,37 6,44 6,51 6,58 6,65 6,72 6,79 Dezimale Stunden am s Mittelwertfilter 30s Mittelwertfilter gemessen Mittelwertfilter 60s amtliche Höhe ellipsoidische Höhe [m] 265, , , , , , , , , , ,250 12,30 12,37 12,44 12,51 12,58 12,65 12,72 12,79 Dezimale Stunden am s Mittelwertfilter 30s Mittelwertfilter gemessen Mittelwertfilter 60s amtliche Höhe Mit SAPOS-HEPS ermittelte ellipsoidische Höhe des ARP auf Pfeiler 2 - Session 1 Mit SAPOS-HEPS ermittelte ellipsoidische Höhe des ARP auf Pfeiler 2 - Session 2 ellipsoidische Höhe [m] 265, , , , , , , , , , ,950 6,30 6,37 6,44 6,51 6,58 6,65 6,72 6,79 Dezimale Stunden am s Mittelwertfilter 30s Mittelwertfilter gemessen Mittelwertfilter 60s amtliche Höhe ellipsoidische Höhe [m] 265, , , , , , , , , , ,950 12,30 12,37 12,44 12,51 12,58 12,65 12,72 12,79 Dezimale Stunden am s Mittelwertfilter 30s Mittelwertfilter gemessen Mittelwertfilter 60s amtliche Höhe Seite 50

50 Die beispielhafte Darstellung der Messergebnisse auf den beiden lediglich 20 m entfernten Pfeilern 1 und 2 (Punktgruppe A) zeigt über den Beobachtungszeitraum Schwankungen in der Höhenkomponente von bis zu 3 cm bei der Vormittagssession und von bis zu 7 cm bei der Nachmittagssession. Generell wurden bei der Nachmittagssession signifikant größere Höhenschwankungen beobachtet, was möglicherweise mit der extremen Hitze (bis 36 C) und den damit einhergehenden atmosphärischen Effekten zusammenhängen könnte. Zeitliche Höhenschwankungen treten auch bei den Punkten der Punktgruppe B auf, hier fallen sie jedoch durchweg viel dramatischer aus. So konnten beispielsweise bei Pfeiler 8 im Verlauf der beiden 30-minütigen Sessions Höhenschwankungen von weit über einem Dezimeter beobachtet werden. Mit SAPOS-HEPS ermittelte ellipsoidische Höhe des ARP auf Pfeiler 8 - Session 1 Mit SAPOS-HEPS ermittelte ellipsoidische Höhe des ARP auf Pfeiler 8 - Session 2 ellipsoidische Höhe [m] 262, , , , , , , , , , ,750 7,30 7,37 7,44 7,51 7,58 7,65 7,72 7,79 Dezimale Stunden am s Mittelwertfilter 30s Mittelwertfilter gemessen Mittelwertfilter 60s amtliche Höhe ellipsoidische Höhe [m] 262, , , , , , , , , , ,750 13,30 13,37 13,44 13,51 13,58 13,65 13,72 13,79 Dezimale Stunden am s Mittelwertfilter 30s Mittelwertfilter gemessen Mittelwertfilter 60s amtliche Höhe Für die großen Schwankungen dürften die durch die Abschattungen der Punktlagen bedingten und darüber hinaus durch die niedrigen Elevationen auch noch verstärkten Mehrwegeffekte verantwortlich sein. Mittelt man pfeilerweise sämtliche über die Gesamtdauer von 2 x 30 Minuten aufgezeichneten GPS-Höhen, erhält man bei der Punktgruppe A eine innere Messgenauigkeit (Standardabweichung) von 1-2 cm, bei der Punktgruppe B von 2-7 cm. Der Vergleich der Mittelwerte über den gesamten Beobachtungszeitraum mit den Sollhöhen liefert ein Maß für die äußere Messgenauigkeit. Da für die Teststrecke Polch zwei unterschiedliche Geoidmodelle (GCG05 und DFHBF_RP) vorliegen, ergeben sich dementsprechend auch zwei unterschiedliche aus den nivellierten Höhen der Pfeiler abgeleitete Sollhöhen. Gegenüber den aus dem GCG05 abgeleiteten Sollhöhen weichen die Mittelwerte aus insgesamt einstündiger Beobachtung um durchschnittlich -10 mm (Punktgruppe A) bzw. -8 mm (Punktgruppe B) ab. Die Maximalwerte betragen -12 mm bzw. -18 mm. Gegenüber den aus der DFHBF_RP abgeleiteten Sollhöhen ergeben sich durchschnittliche Abweichungen von +1 mm bzw. +4 mm mit Maximalwerten von +2mm bzw. +10 mm. Tendenziell zeigen die ermittelten GPS-Höhen eine bessere Übereinstimmung mit den DFHBF_RP-Sollhöhen als mit den GCG05-Sollhöhen. Vergleicht man die Höhenschwankungen auf den Pfeilern 1 und 2, stellt man fest, dass beide Punkte ein ähnliches zeitliches Verhalten aufweisen. Es lag daher nahe, außer den aus den GPS-Messungen abgeleiteten absoluten Höhen auch einmal die zwischen den einzelnen Punkten beobachteten Höhenunterschiede mit den Sollhöhenunterschieden zu vergleichen. Seite 51

51 Dieser Ansatz besitzt zudem den Vorteil, dass wegen der gleichen Geoidneigungen im Testgebiet die Unsicherheit bezüglich des richtigen Geoidmodells eliminiert wird. Abweichung [mm] Abweichung zwischen Sollhöhendifferenz und gemessener Höhendifferenz (Session 1) ,35 6,38 6,41 6,44 6,46 6,49 6,52 6,55 6,58 6,60 6,63 6,66 6,69 6,71 6,74 6,77 6,80 Dezimale Stunden dh 1-2 (20m) dh 1-5 (563m) dh 1-9 (1288m) Mittelwert Abweichung [mm] Abweichung zwischen Sollhöhendifferenz und gemessener Höhendifferenz (Session 2) ,35 12,38 12,41 12,44 12,47 12,49 12,52 12,55 12,58 12,60 12,63 12,66 12,69 12,72 12,74 12,77 12,80 Dezimale Stunden dh 1-2 (20m) dh 1-5 (563m) dh 1-9 (1288m) Mittelwert Bei den auf diese Weise ermittelten Höhenunterschieden ergaben sich zwischen den Punkten der Gruppe A Abweichungen zu den Sollhöhenunterschieden von maximal 2 mm ± 4 mm (Vormittagssession) bzw. 2 mm ± 12 mm (Nachmittagssession). Abweichung zwischen Sollhöhendifferenz und gemessener Höhendifferenz (Session 1) Abweichung zwischen Sollhöhendifferenz und gemessener Höhendifferenz (Session 2) Abweichung [mm] ,31 7,34 7,36 7,39 7,42 7,45 7,48 7,50 7,53 7,56 7,59 7,61 7,64 7,67 7,70 7,73 7,75 Dezimale Stunden dh 3-7 (865m) dh 3-8 (1006m) dh 3-12 (1352m) Mittelwert Abweichung [mm] ,31 13,34 13,36 13,39 13,42 13,45 13,48 13,50 13,53 13,56 13,59 13,61 13,64 13,67 13,70 13,73 Dezimale Stunden dh 3-7 (865m) dh 3-8 (1006m) dh 3-12 (1352m) Mittelwert Bei den Punkten der Gruppe B ergaben sich Abweichungen zu den Sollhöhenunterschieden von bis zu 16 mm ± 41 mm (Vormittagssession) bzw. 22 mm ± 50 mm (Nachmittagssession). 6 Auswertungen der statischen Messungen (Postprocessing) Die statischen Messungen wurden an drei aufeinanderfolgenden Tagen durchgeführt. Am ersten Tag kamen simultan acht Trimble-Empfänger, am zweiten und dritten Tag die auch schon für die HEPS-Messungen benutzen vier Leica-Ausrüstungen zum Einsatz. Für die vorliegenden Auswertungen wurden daraus jeweils zwei zweistündige Messperioden mit sechs Stunden Zeitdifferenz herausgenommen. Das umfangreiche Messmaterial wurde gemeinsam vom LVermGeo und von der BfG ausgewertet: Zum Einsatz kamen die Programme TTC, WaSoft/Virtuell und GeoNAP. Die Lagerung erfolgte unter Anschluss an die umliegenden SAPOS -Stationen, an für das Testgebiet ermittelte virtuelle Referenzstationen sowie an einzelne Pfeiler des Testnetzes. Die Auswertungen wurden darüber hinaus mit verschiedenen Antennenkalibrierungsmodellen (absolut, relativ, individuell, Typ-kalibriert) durchgeführt. Als Elevationsmaske wurde einheitlich 6 gewählt. In Anbetracht der großen Menge an Auswertevarianten können die Ergebnisse hier nur summarisch dargestellt werden. Seite 52

52 6.1 Auswertung der Absoluthöhen Wie schon bei den Echtzeitmessungen beschrieben, ergeben sich aufgrund der Tatsache, dass zwei verschiedene Geoidmodelle zur Verfügung stehen, jeweils zwei sich um 11 bis 12 mm unterscheidende ellipsoidische Sollhöhen. Die Beurteilung der Auswerteergebnisse erfolgt primär durch Vergleich mit den Sollhöhen. Bei der Auswertung der Trimble-Messungen ergaben sich, bezogen auf eine Beobachtungsdauer von insgesamt vier Stunden, durchschnittliche Abweichungen der GPS-Höhen zu den GCG05-Sollhöhen von rund 7 mm und zu den DFHBF_RP-Sollhöhen von durchschnittlich 16 mm. Bei einzelnen Auswertevarianten traten Abweichungen von bis zu 25 mm auf. Bei den Auswertungen der Leica-Messungen ergaben sich mit durchschnittlich 8 mm (GCG05) und 18 mm (DFHBF_RP) und einer maximalen Abweichung von 33 mm nur geringfügig größere Abweichungen. Anders als bei den Echtzeitauswertungen, bei denen die ermittelten GPS-Höhen tendenziell besser zu den DFHBF_RP-Sollhöhen passten, ergibt sich im Postprocessing eine etwas bessere Übereinstimmung mit den GCG05-Sollhöhen Die bei den Echtzeitauswertungen festgestellten Genauigkeitsunterschiede zwischen den Punkten der Gruppen A und B sind auch bei den statischen Auswertungen feststellbar, sie fallen allerdings nicht so deutlich wie bei den HEPS-Messungen aus. 6.2 Auswertung von Höhenunterschieden Wie auch schon bei den Echtzeitauswertungen wurden, u. a. um den Einfluss der unterschiedlichen Quasigeoidmodelle zu eliminieren, die aus den GPS-Höhen abgeleiteten Höhenunterschiede mit den Sollhöhenunterschieden verglichen. Für die Trimble-Auswertungen ergab sich, bezogen auf eine vierstündige Beobachtungsdauer und unabhängig vom Punktabstand, eine mittlere Abweichung zwischen Soll- und GPS- Höhenunterschieden von 4 mm (Punktgruppe A) bzw. 8 mm (Punktgruppe B). Bei den Leica- Auswertungen wurden Abweichungen von 5 mm (Punktgruppe A) bzw. 7 mm (Punktgruppe B) erreicht. 6.3 Auswirkung der Beobachtungsdauer Die unter 6.1 und 6.2 dargestellten Ergebnisse resultieren aus einer Beobachtungsdauer von insgesamt vier Stunden pro Punkt bei simultaner Multistationsbeobachtung. Sie belegen zwar einerseits das Potenzial der GPS-Technik für die Höhenmessung in eindrucksvoller Weise. Andererseits dürfte der zu treibende hohe Zeitaufwand, um solche Ergebnisse zu erzielen, einem wirtschaftlichen Einsatz in der täglichen Vermessungspraxis grundsätzlich im Wege stehen, zumal die Punktabstände auf der Teststrecke so gering sind, dass durch konventionelles Nivellement ohne jeden Zweifel schneller, noch genauer und damit letztlich viel wirtschaftlicher Höhen bestimmt werden können. Seite 53

53 Es wurde deshalb ein weitere kurze Auswertung durchgeführt, die einen ersten Hinweis auf die Frage liefern sollte, in welchem Maße eine Genauigkeitsverschlechterung eintritt, wenn man die Beobachtungsdauer verkürzt. Die entsprechende Auswertung ergab bei Reduzierung der Beobachtungsdauer von zwei mal zwei Stunden auf die bei praktischen Lagevermessungen übliche Beobachtungsdauer von zwei mal zehn Minuten einen Genauigkeitsrückgang um ca. 30 bis 50 Prozent. 7 Das GPS-Nivellement ein Experiment Eine Hauptintention der vorliegenden Untersuchung ist die Klärung der Frage, ob GPS- Höhenmessungen unter Berücksichtigung von Genauigkeit und Wirtschaftlichkeit eine Alternative zum geometrischen Nivellement darstellen könnten. Um konkret dieser Fragestellung nachzugehen, wurde das vorliegende umfangreiche Beobachtungsmaterial ein weiteres Mal ausgewertet und dabei die folgenden beiden Szenarien für ein GPS-Nivellement gebildet: Szenario 1 Es wird simultan mit zwei baugleichen GPS-Ausrüstungen jeweils auf benachbarten Punkten einer Niv-Linie beobachtet. Die Höhenunterschiede zwischen den beiden Punkten werden unter Berücksichtigung eines Quasigeoidmodells mittels SAPOS -HEPS bei einer Beobachtungsdauer von jeweils zehn Minuten ermittelt. Wie beim klassischen Nivellement üblich wird eine geschlossene Schleife gemessen, aus der ein Schleifenschlussfehler ermittelt werden kann. Szenario 2 Bei Szenario 1 werden zwei GPS-Ausrüstungen benötigt, was mitunter als Nachteil empfunden werden könnte. Daher werden bei Szenario 2 die simultanen Beobachtungen auf zwei benachbarten Punkten ersetzt durch zwei kurz hintereinander erfolgende einzelne Beobachtungen. Außerdem wird die zehnminütige Beobachtungsdauer pro Punkt durch zwei unabhängig erfolgende, zeitlich versetzte fünfminütige HEPS-Messungen ersetzt. Es besteht die Möglichkeit, die beiden Messungen in umgekehrter Richtung, also wie beim klassischen Nivellement als Hin- und Rückmessung auszuführen. Die Abweichungen der gemäß den beiden Szenarien gemessenen Höhenunterschiede zu den Sollhöhenunterschieden sind in den nachfolgenden beiden Abbildungen dargestellt. Bei Szenario 1 ergibt sich für die Punkte der Gruppe A ein Schleifenschlussfehler von +18 mm bei einer Strecke von rund 2,6 km. Die Standardabweichung eines Höhenunterschieds beträgt (unabhängig von der Streckenlänge) 6 mm. Bei den Punkten der Punktgruppe B beträgt der Schleifenschlussfehler -24 mm bei einer Strecke von rund 3 km. Die Standardabweichung eines Höhenunterschieds ergibt sich zu 19 mm. Seite 54

54 Szenario 1: Höhenunterschiede aus differentiellen HEPS-Beobachtungen d = 2 mm d = 8 mm m 5 20 m d = 0 mm 725 m 9 Schleifenschluss: +18 mm auf 2578 m 1289 m d = 8 mm Schleifenschluss: d = +1 mm d = -5 mm d = -35 mm -24 mm auf 3044 m 866 m 141 m 685 m m d = +15 mm Bei Szenario 2 kann ein Schleifenschlussfehler nicht abgeleitet werden. Die Standardabweichung eines mit GPS bestimmten Höhenunterschieds wurde für die Punkte der Gruppe A mit 14 mm, für die Punkte der Gruppe B mit 23 mm ermittelt. Szenario 2: Höhenunterschiede aus absoluten HEPS- Beobachtungen d = - 2 mm d = -9 mm +22 mm -6 mm 1 20 m m m d = +11 mm - 26 mm d = 0 mm + 10 mm 725 m d = 1. Session d = 2. Session 9 Gesamtstrecke: 2578 m d = +17 mm d = + 33 mm d = -46 mm - 5 mm - 17mm + 18 mm 866 m 141 m 685 m m d = - 4 mm + 4 mm Gesamtstrecke: 3044 m Die in beiden Szenarien erzielten Ergebnisse fallen gegenüber den bei einem geometrischen Nivellement erreichbaren Genauigkeiten stark ab. Um diesen Genauigkeitsabfall zu beschränken, müsste die Beobachtungsdauer verlängert werden, was dann allerdings wieder zu Lasten der Wirtschaftlichkeit geht. 8 Zusammenfassung und Ausblick Im Verlauf von dreitägigen Testmessungen wurden sehr umfangreiche Messdaten erhoben, die bisher nur zum Teil ausgewertet und deren Ergebnisse im vorliegenden Beitrag auch nur tendenziell und punktuell präsentiert werden konnten. Seite 55

55 Im Ergebnis zeigt sich, dass GPS-Höhenmessungen entsprechend dem aktuellen Stand von Wissenschaft und Technik nach wie vor keine generelle Alternative zum geometrischen Nivellement darstellen, weder unter Wirtschaftlichkeits- noch unter Genauigkeitsgesichtspunkten. Die Genauigkeit von aus GPS-Messungen abgeleiteten Höhen bzw. Höhenunterschieden ist u. a. abhängig von der Beobachtungsdauer, dank des SAPOS -Dienstes gleichzeitig aber in hohem Maße unabhängig von der Punktentfernung. Demgegenüber pflanzt sich beim Nivellement die Messunsicherheit mit der Wurzel aus der Entfernung fort. Ab einem bestimmten Punktabstand liefern Nivellement und GPS-Höhenmessung mit langer Beobachtungsdauer also gleichgenaue Ergebnisse. Dies wird beispielsweise bei den GNSS-Messungen im Zusammenhang mit der Erneuerung und Wiederholung des Deutschen Haupthöhennetzes genutzt. Beim klassischen Nivellement mit typischen Punktabständen von 700 bis Meter lassen sich unter Einhaltung der Regelungen des Präzisionsnivellements mühelos relative Höhengenauigkeiten im Zehntelmillimeterbereich erzielen. An dieses Genauigkeitsniveau reichen GPS-Höhenbestimmungen derzeit auch nicht annähernd heran, so dass die GPS-Technik beispielsweise als Messverfahren zur Erfassung und Dokumentation von kleinräumigen Höhenänderungen nach wie vor ausscheidet. Besonderes Augenmerk sollte zukünftig auf die weitere Verbesserung der Geoidmodellierung gelegt werden. Bei der Verknüpfung der mathematisch-geometrischen GPS-Höhen mit den physikalischen Landeshöhen, also beim Übergang vom Ellipsoid zum Geoid, kommt einer hochwertigen Geoidmodellierung eine Schlüsselrolle zu. Die derzeitige Situation in Rheinland-Pfalz mit zwei gleich genauen Quasigeoidmodellen, die sich im Detail aber bis zu mehreren Zentimetern unterscheiden, ist als unbefriedigend anzusehen. Die derzeit laufenden bzw. für die nächsten Jahre geplanten internationalen Satelliten- Schwerefeldmissionen werden die globale Struktur des Erdschwerefelds in einem weltweit einheitlichen Rahmen liefern, regionale Schwerefeld- bzw. Geoidstrukturen lassen sich damit aber kaum in der für präzise GPS-Höhenmessungen benötigten Feinheit erfassen. Hierfür ist eine weitere Verdichtung der Stützpunkte unumgänglich. Für Rheinland-Pfalz bietet sich hierfür hervorragend das rund Punkte umfassende ÜFP-Feld an. Sämtliche ÜFP besitzen hochgenaue ETRS89-Koordinaten, die in den Jahren neu gemessen wurden. Würde man für alle diese Punkte nun auch noch nivellierte Höhen und Schwerewerte ermitteln, könnte daraus für den Bereich des Landes Rheinland-Pfalz ein Geoidmodell abgeleitet werden, das für den Zweck einer präzisen GPS-Höhenbestimmung wahrscheinlich kaum noch Wünsche offen lassen würde. Die Verfügbarkeit des europäischen Satellitennavigationssystems GALILEO etwa ab 2012, seine Kompatibilität zum modernisierten amerikanischen GPS sowie die Möglichkeit der Verknüpfung beider Systeme mit dem revitalisierten russischen GLONASS bieten ausgezeichnete Perspektiven für zukünftige Satellitenanwendungen. Gleichzeitig werden sich die wissenschaftlichen Erkenntnisse und die Theoriebildung zu den Vorgängen bei GNSS-Messungen immer weiter verfeinern und verbessern. All dies sollte zum Anlass genommen werden, der vorliegenden Untersuchung in einigen Jahren eine weitere folgen zu lassen. Seite 56

56 Dank Die vorliegende Untersuchung wäre nicht möglich gewesen ohne die Mithilfe zahlreicher Fachkolleginnen und -kollegen des LVermGeo und der BfG. Stellvertretend danke ich Frau Dr. Astrid Sudau und Herrn Hanno Beckers für ihre tatkräftige Unterstützung und die wertvollen Anregungen und Diskussionsbeiträge. Mein Dank gilt auch der Firma Leica Geosystems, die für die Testmessungen freundlicherweise GPS-Ausrüstungen zur Verfügung gestellt hat. Literatur AdV, Arbeitskreis Raumbezug: Feldanweisung für GNSS-Messungen zur Erneuerung und Wiederholung des Deutschen Haupthöhennetzes im Zeitraum Dresden BECKERS, H. u.a.: Nivellieren mit GPS - Praktische Messungen auf der Testschleife Koblenz, Nachrichtenblatt der Vermessungs- und Katasterverwaltung Rheinland-Pfalz, Heft 4/1994, S BECKERS, H. u.a.: Können GPS-Verfahren zur Höhenbestimmung von Nivellementpunkten 4. Ordnung in Rheinland-Pfalz genutzt werden? Nachrichtenblatt der Vermessungsund Katasterverwaltung Rheinland-Pfalz, Heft 2/1999, S BENGEL, W., A. SUDAU: GPS-Höhenmessungen im Raum Mainz-Wiesbaden, AVN 8-9/1998, S FELDMANN-WESTENDORFF, U.: Zur hochgenauen Bestimmung von Normalhöhen mit GPS- Postprocessing und -Echtzeitverfahren in der Landesvermessung Niedersachsen, DVW-Schriftenreihe Heft 44/2002, S , Konrad Wittwer Verlag, Stuttgart. FELDMANN-WESTENDORFF, U., C. JAHN: GNSS-Höhenbestimmung in einem einheitlichen Raumbezug, DVW-Schriftenreihe Heft 49/2006, S , Wißner-Verlag, Augsburg. LIEBSCH, G. u.a.: Quasigeoidbestimmung für Deutschland, DVW-Schriftenreihe 49/2006, S , Wißner-Verlag, Augsburg. ROMPF, H.: Zur Einführung der Digitalen Finite Element Höhenbezugsfläche (DFHBF) in Rheinland-Pfalz, Nachrichtenblatt der Vermessungs- und Katasterverwaltung Rheinland-Pfalz, Heft 1/2003, S Seite 57

57 Jahrgang: Studium des Vermessungswesens an der Technischen Universität Darmstadt Vorbereitungsdienst für den höheren technischen Verwaltungsdienst in der Vermessungs- und Katasterverwaltung Rheinland-Pfalz (VermKV RP) Kontakt: Gerhard Berg Landesamt für Vermessung und Geobasisinformation Rheinland-Pfalz Ferdinand-Sauerbruch-Straße Koblenz Tel.: 0261 / Fax: 0261 / gerhard.berg@lvermgeo.rlp.de Wissenschaftlicher Assistent am Institut für Photogrammetrie und Kartographie der Technischen Universität Darmstadt seit 1989 Tätigkeit beim Landesamt für Vermessung und Geobasisinformation Rheinland-Pfalz (LVermGeo) in verschiedenen Funktionen. Seit 2005 stellvertretender Leiter des Fachbereichs Datenführung des vermessungstechnischen Raumbezugs, Satellitengestützte Positionierungsdienste. Projekte: : Verschiedene Projekte der hochpräzisen Nahbereichs- und Industrie- Photogrammetrie : Herstellung der Luftbildkarte von Kigali (Ruanda) : Einführung der ALK-Punktdatei in der VermKV RP : Entwicklung neuartiger CD-ROM- Produkte (DigTK100, BoRiWe) : Entwicklung und landesweite Einführung des graphisch-interaktiven Feldrechnersystems seit 2003: Entwicklung der Erhebungs- und Qualifizierungskomponente für AFIS und ALKIS Seite 58

58 GPS-gestützte Höhenmessungen und überwachung von Pegeln im Küstenbereich Astrid Sudau 1 Einleitung Um die Qualität und Zuverlässigkeit von Wasserstandsdaten sicher zu stellen, schreibt die Pegelvorschrift (Anlage C) vor, dass Pegel in zeitlich regelmäßigen Abständen in ihrer Höhenlage zu überprüfen und zudem an das übergeordnete Höhenbezugssystem der Landesvermessung anzuschließen sind. Die Anschlüsse an das amtliche Höhensystem sind in zeitlicher Abhängigkeit von geologischen und sonstigen örtlichen Gegebenheiten zu wiederholen. Derartige Überwachungs- und Anschlussmessungen erfolgen i.d.r. mittels geometrischer Nivellements. Im Küstenbereich der Nord- und Ostsee gibt es eine zahlreiche Anzahl von Pegeln in exponierter Lage (Abb. 1), die mittels geometrischer Nivellements nur unter erschwerten Bedingungen bzw. gar nicht zu erreichen sind. Derartige Pegel wurden bis vor einiger Zeit z. B. mittels Wattnivellements (Abb. 2) bzw. hydrostatischer Nivellements (Abb. 3) höhenmäßig eingemessen. Die auslaufende Verfügbarkeit der niederländischen hydrostatischen Messausrüstung und die Zeit- und Kostenintensität dieser klassischen Verfahren hat die BfG bereits vor einigen Jahren dazu veranlasst, die technischen und wirtschaftlichen Möglichkeiten und Grenzen einer satellitengestützten Höhenüberwachung von Pegeln mit dem Global Positioning System (GPS) zu untersuchen. Abb. 1: Übersicht der Pegel im Bereich der WSD Nord- und Nordwest (ÜKF 28, 2006) Seite 59

59 Abb. 2: Wattnivellement zur Insel Neuwerk (BfG 2002) Abb. 3: Kabelleger Niveau bei der Aufnahme des hydrostatischen Schlauches( RWS, Archivnummer: von ) (BfG 2001) Bei der Höhenmessung mit GPS sind grundsätzlich zwei Aspekte zu berücksichtigen. Der erste Aspekt ist, dass aufgrund der Satellitengeometrie, atmosphärischer Einflüsse, Uhrenfehler, Antennen-Empfangseigenschaften und Mehrwegeeffekten die Höhenkomponente um den Faktor 2 3 schlechter bestimmbar ist als die Lagekomponenten. Neben diesen bekannten Effekten treten bei den Pegeln noch besondere schwierige und für GPS ungünstige Einflüsse auf, wie z.b. Richtfunksender, Windräder, etc. (Abb. 4). Abb. 4: Störeinflüsse auf Pegeln (BfG 2002) Der zweite Aspekt der GPS-Höhenmessung ist, dass GPS-Höhen als rein geometrischer Abstand eines Oberflächenpunktes über einem vom Schwerefeld der Erde unabhängigen Bezugsellipsoid definiert sind und unter Verwendung geeigneter Erdschweremodelle ((Quasi-) Geoide) in die physikalischen Höhensysteme der Landesvermessung überführt werden müssen. Seite 60

60 2 GPS-Messungen und Auswertungen Die BfG hat bereits Mitte der 1980er-Jahre begonnen, das GPS zur Höhenbestimmung von Pegeln zu untersuchen. Während anfangs nur ellipsoidische (geometrische) Höhen berechnet wurden, werden seit 1991 auch Integrationen in die physikalischen Höhensysteme der Landesvermessung durchgeführt. Dabei arbeitet die BfG eng mit verschiedenen Bundes- und Landesbehörden sowie Universitäten zusammen. In Tabelle 1 sind die bislang durchgeführten Projekte zusammengestellt. Tabelle 1: GPS-Projekte GPS-Höhenmessungen ellipsoidische / geometrische Höhen ab 1991 Bestimmung physikalischer Höhen (NN, NHN) ( GPS + Geoid): 1991/1994 KFKI-Projekt Präzise Höhenbestimmung des Helgoländer Pegels (IFE) 1998ff KFKI-Projekt NN-SAT (GI-TU Dresden, BfG) 1999 Außenems (BfG,WSA, LGN, BKG) 2001 Wiederholung Außenems (s.o.) 2001 Außenelbe (BfG, WSÄ, LGN, BKG) 2003 Jade/Außenweser (BfG, WSÄ, WNA H, GI-TU Dresden, BKG, LGN, LVA NW) Im Folgenden werden die Projekte Außenems , Außenelbe 2001 und Jade/ Außenweser 2003 näher betrachtet und zusammenfassend analysiert. 2.1 Beschreibung der Kampagnen Die Kampagnen Außenems Die Kampagnen an der Außenems ( Außenems ) dienten zur Höhenbestimmung der Pegel Emshörn, Dukegat und Knock. Die Pegel befinden sich am Hauptfahrwasser zwischen Emden-Knock und der Insel Borkum. Eine Übersicht der Kampagnen befindet sich in Abbildung 5. In der Kampagne Außenems 1999 wurden die Pegelhöhen parallel hydrostatisch und über GPS bestimmt. Mit den genauen hydrostatischen Ergebnissen stehen für Vergleichszwecke quasi-wahre NN-Höhen ( Soll-Höhen ) zur Verfügung. Der größte Schleifenwiderspruch des hydrostatischen Nivellements betrug bei einem Umfang von 35,6 km 9,1 mm. Für die hier vorgestellten Auswertungen fand nur ein optimiertes, aus 10 Punkten bestehendes Netz Verwendung. Die drei Seepegel als Neupunkte wurden zur Vermeidung von Ausfällen und zu Kontrollzwecken mit jeweils zwei GPS-Empfängern besetzt. Das optimierte Netz umfasste somit neben den Pegelpunkten die SAPOS-Stationen Aurich, Borkum, Emden- Knock und Norderney. Die SAPOS-Station Emden wurde in beiden Kampagnen als Datumspunkt verwendet. Seite 61

61 Die Pegelpunkte waren mit Empfängern des Typs Trimble 4000SSi und Antennen der Baureihe Trimble L1/L2 Microcenterd Compact bestückt. Die Kampagne im Jahr 2001 diente dem Ziel, die Reproduzierbarkeit der mit GPS bestimmten Höhen zu beurteilen. Das Netzdesign entsprach dem optimierten Netz von Die SAPOS-Station auf Norderney wurde zwischenzeitlich verlegt. Die eingesetzten Empfängerund Gerätetypen auf den Pegelpunkten waren identisch mit denen der Kampagne Auf den SAPOS-Stationen befanden sich andere Antennentypen oder diese wurden zwischenzeitlich mit Radomen ausgestattet. Im Jahr 1999 bestand die Kampagne aus 4 Sessionen waren es 6 Sessionen. Die Sessionen umfassten je einen Zeitraum von 24 Stunden. Abb. 5: Netzkonfiguration der Kampagnen Außenems (optimiertes Netzdesign) Abb. 6: Netzkonfiguration der Kampagne Außenelbe Die Kampagne Außenelbe 2001 Eine 3D-Modellierung zur Anpassung der Fahrrinne der Unter- und Außenelbe machte es erforderlich, aktuelle Pegelhöhen im Deutschen Haupthöhennetz 1992 für fünf Navigationsbaken und den ehemaligen Leuchtturm Großer Vogelsand zu bestimmen. Diese Objekte befinden sich vor den Inseln Scharhörn und Neuwerk am Fahrrinnenrand der Außenelbe. Das Netz umfasste 17 Stationen in Niedersachsen und Schleswig-Holstein sowie die SAPOS- Station Cuxhaven (Abb. 6). Die Punkte auf den Baken und auf dem ehemaligen Leuchtturm waren doppelt besetzt. Um die Zahl der Stützpunkte für die Höhenintegration in der Nähe der Navigationsbaken zu erhöhen, wurden geeignete Festpunkte auf Neuwerk mit dem Festland durch ein Wattnivellement eingewogen. Auf den Feldstationen kamen Empfänger des Typs Trimble 4000 SSi und Antennen des Typs Trimble L1/L2 Microcentered Compact zum Einsatz. Für die Auswertung stand ein Datensatz von 8 Sessionen à 12 Stunden zur Verfügung. Seite 62

62 2.1.3 Die Kampagne Jade/Außenweser 2003 Als Grundlage für die hydrologischen und vermessungstechnischen Arbeiten im Bereich des Jade-Weser-Reviers war die Neubestimmung von Höhenfestpunkten an Seepegeln, Leuchttürmen, Leuchtfeuern, Rohrfestpunkten und von Landpunkten, die der Integration der GPS- Höhen in das Landeshöhensystem dienen, erforderlich. Zusätzlich erfolgte eine wiederholte Höhenbestimmung von 2 Navigationsbaken in der Außenelbe. Das Netz umfasst insgesamt 32 Stationen, die Netzkonfiguration ist in Abbildung 7 dargestellt. Aufgrund der großen Punktanzahl mussten die Stationen mit unterschiedlichen GPS-Empfängern und -Antennen besetzt werden. Zur Stabilisierung der GPS-Messungen wurden zusätzlich je ein Stromübergangsnivellement (Wremen UF Solthörn und Wremen RT Wurster Arm), ein Wattnivellement (Langwarden LT Hohe Weg) sowie ein geometrisches Nivellement (Pegel Wangerooge(West) Wangerooge (Nord) durchgeführt. Eine zusammenfassende Übersicht über die Kampagnen ist in Tabelle 2 dargestellt. Abb. 7: Netzkonfiguration der Kampagne Jade/ Außenweser 2003 Tabelle 2: Übersicht über die GPS-Kampagnen Außenems 1999 Außenems 2001 Außenelbe 2001 Jade-Weser Anzahl der Stationen Beobachtungszeiten (h) ca. 85 ca. 131 ca Anzahl der Sessionen Elevationswinkel (º) Aufzeichnungsintervall (Sekunden) Netzausdehnung (N-S und W-O) 42 km x 49 km 42 km x 49 km 17 km x 37 km km x 60 km Seite 63

63 2.2 Auswertestrategien Die Kampagnen Außenweser und Außenelbe 2001 wurden im Rahmen des KFKI-Projektes Entwickeln einer Methodik zur universellen Höhenüberwachung von Küstenpegeln (NN-SAT) durchgeführt. Die Auswertung erfolgte mit unterschiedlichen wissenschaftlichen und kommerziellen Softwarepaketen und möglichst identischen und optimalen Auswerteoptionen. Als wissenschaftliche Software fanden GEONAP-S (GN) und die Bernese Software Version 4.2 (BSW) Verwendung. GPSurvey Version 2.35 (GP) und GeoGenius Version 2.00 (GG) kamen als Vertreter der kommerziellen Software zum Einsatz. Die Berechnungen wurden in der BfG und am Geodätischen Institut der TU Dresden durchgeführt. Diese umfangreichen Auswertungen sollten nach Vergleich und Analyse der Resultate Richtlinien für die zukünftige Pegelhöhenbestimmung mit GPS liefern. Als Referenzlösung für die Vergleiche wurde die Lösung mit GEONAP-S gewählt. Die für die Auswertearbeiten identischen Vorgaben waren im Einzelnen: Verwendung präziser IGS-Bahndaten, Einführen absoluter azimut- und elevationsabhängiger Antennenkorrekturen aus Kalibriermessungen (Quelle: GEO++ GNPCV Datenbank), Elevationswinkel: 5 bis 10 Grad, elevationsabhängige Gewichtung der Beobachtungen, Korrektur des troposphärischen Laufzeitfehlers mit dem Standardmodell und anschließender Schätzung von absoluten Troposphärenparametern, Verwendung einer Mapping Funktion mit gebrochenen Sinustermen, die auch für große Zenitwinkel gültig ist (>80 ), einheitlicher Lagerungspunkt im ITRF96 bzw. ITRF97, nach Auswertung Rücktransformation der Koordinaten nach ETRS89 Koordinatenschätzung durch die ionosphärenfreie Linearkombination L0/L3 nach der Mehrdeutigkeitslösung, gemeinsame Ausgleichung der Sessionsergebnisse und Zusammenfassung zu einer Multisessionslösung (Gesamtlösung). Weitere zusätzliche Auswerteoptionen Bei einigen Programmen wurden darüber hinaus weitere Berechnungsoptionen getestet. Dabei handelte es sich um die folgenden Änderungen: Test eines anderen Troposphärenmodells (Davis statt Saastamoinen) mit GG bei der Kampagne Außenems 2001, Auswertung mit einer zusätzlichen Elevationsmaske von 10 (GG u. BSW) bei der Kampagne Außenelbe 2001, Schätzung relativer statt absoluter Troposphärenparameter (BSW) bei der Kampagne Außenems 2001, Verwendung von rein elevationsabhängigen Antennenphasenzentrumskorrekturen anstatt elevations- u. azimuthabhängiger Werte (BSW) bei der Kampagne Außenems 2001, Seite 64

64 Verwendung von Korrekturen für Ozeanauflastdeformationen (BSW) bei den Kampagnen, Auswertung mit der Option Wackelturm bei der Kampagne Außenelbe, um die Eigenbewegung der Bauwerke mit zu berücksichtigen (GN) Erzeugen einer Sessionlösung ohne elevationsabhängige Gewichtung der Beobachtungen bei einer Elevationsmaske von 10 (BSW) für die Kampagnen des Jahres Die GPS-Auswertung der Kampagne Jade / Außenweser wurde in Vergabe von dem Geodätischen Institut der TU Dresden durchgeführt und erfolgte mit der Bernese Software Version 4.2. Im Rahmen der Auswertung wurden auch die Einflüsse verschiedener Antennenkalibrierungsmodelle und der Meeresgezeiten untersucht und analysiert. 2.3 Ergebnisse Für die Beurteilung der Präzision und Richtigkeit der GPS-Höhen können u. a. folgende Genauigkeitsmaße herangezogen werden: Standardabweichungen (Netz- / Stationslösungen) Residuen der Netzlösungen Abweichungen von hydrostatischen/nivellitischen Sollhöhen Epochenvergleiche In Tabelle 3 sind die Standardabweichungen der GPS-Höhen, resultierend aus der GEONAP- S-Netzlösung bzw. Bernese Software, die Sessionsresiduen sowie die Standardabweichungen der Stationen zusammengefasst. Die Standardabweichungen der Netzlösungen sind alle kleiner als 5 mm, wohl können aber bei den Residuen Größenordnungen von bis zu ca. 4 cm auftreten. Die Auswertungen zeigen, dass die Beträge auf den Pegelstationen aufgrund der stärkeren Beeinflussung durch Mehrwegeeffekte etc. deutlich höher liegen als auf den Landstationen. Die großen Beträge der Residuen in der Kampagne Außenelbe 2001 (Abb. 8) können durch die sehr ungünstigen GPS-Bedingungen auf den Baken erklärt werden. Bei einem Vergleich der Kampagnen Außenems ist erkennbar, dass bei einer Verlängerung der Beobachtungszeiten die Residuen im Mittel deutlich kleiner werden (s. Abb. 9 u. 10). Die Ergebnisse der Kampagne Jade/Außenweser 2003 sind in Abb. 11 dargestellt. Die Epochenvergleiche an der Ems und an der Elbe haben gezeigt, dass sich die Höhenwertänderungen in der Größenordnung zwischen 1 und 12 mm bewegten. Auffallend ist allerdings, dass in den Zwillingspunkten auf den Pegelstationen die Änderungsbeträge bis zu 10 mm voneinander abweichen (vgl. Punkt 301 und 302 in Abb. 12). Seite 65

65 Tabelle 3: Ergebnisse der GPS-Kampagnen Elevation σ ellipsoidische Residuen Residuen max [ ] Höhe [mm] [mm] [mm] Außenems ,0 3,8 < 3 15,6 Außenems 5,0 1,8 < 6 14, ,0 1,9 < 3 9,5 Außenelbe 5,0 4,1 ± 10-26, ,0 4,2 ± 15-40,0 RMS-Netz RMS-Stationen Jade-Weser 2003 a) Ja-We - Netz 5 3,6 1,8-6,5 b) Elbe - Netz 5 4,1 2,9-8,7 Abb. 8: Sessionsresiduen der Netzlösung Außenelbe 2001 Seite 66

66 Abb. 9: Sessionsresiduen der Netzlösung Außenems 1999 Abb. 10: Sessionsresiduen der Netzlösung Außenems 2001 Seite 67

67 Abb. 11: RMS-Werte der Stationen im Jade-Weser-Netz 2003 Abb. 12: Epochenvergleich der GPS-Höhen Außenems Integration der GPS-Höhen in den Landeshorizont Als Ergebnis einer GPS-Auswertung erhält man für jeden Beobachtungspunkt einen Satz dreidimensionaler kartesischer und ellipsoidischer Koordinaten im Bezugssystem der Satelliten (WGS 84). Die ellipsoidische Höhe ist definiert als geometrischer vertikaler Abstand entlang der Ellipsoidnormalen vom Bezugsellipsoid und ohne jeglichen Bezug zum Schwere- Seite 68

68 feld der Erde. Im Gegensatz dazu sind die von der Landesvermessung bereitgestellten nivellitischen Höhen in schwerebezogenen, d. h. physikalischen Bezugssystemen definiert. Für die praktische Nutzung müssen die GPS-Höhen somit in ein geeignetes physikalisches Höhenbezugssystem überführt werden. Der Übergang der ellipsoidischen Höhen in das physikalisch definierte Höhensystem der Landesvermessung kann unter Nutzung eines (Quasi-)Geoidmodells in Kombination mit einer Anpassung an den Landeshorizont erfolgen (BENGEL, SUDAU 1998). Im Rahmen einer Parameterschätzung (Gauß-Markoff-Modell) werden dabei sowohl die Differenzen zwischen dem GPS-System und dem gravimetrischen System (GRS 80) als auch der lokale Unterschied zwischen dem (Quasi-)Geoid und der amtlichen Höhenbezugsfläche durch einen bivariaten Polynomansatz n-ten Grades ermittelt. Wie aus Abbildung 13 ersichtlich, gelten die nachstehenden funktionalen Zusammenhänge: H NN GPS Grav = h ξ Δξ Δ NN mit: NN H = normal-orthometrische Höhe (physikalische Höhe) GPS h = ellipsoidische GPS Höhe (geometrische Höhe) Grav ξ = Höhenanomalie Δ ξ = Systemdifferenz zwischen WGS 84 und GRS 80 NN Δ = Anpassung an den Landeshorizont Ellipsoidnormale P Erdoberfläche H NN h GPS Δ NN NN - Fläche Quasigeoid ζ Grav Δζ GRS 80 - Ellipsoid Abb. 13: Funktionale Zusammenhänge zwischen geometrischen (GPS) und physikalischen (Quasigeoid) Bezugssystemen WGS 84 - Ellipsoid Seite 69

69 Entscheidend für die Qualität der Integration ist die Anzahl und Verteilung der Stützpunkte. Die Rauhigkeit des Quasigeoids und die Ausdehnung des Gebietes sind dabei die ausschlaggebenden Faktoren. In den vier hier vorgestellten Kampagnen wurde jeweils das European Gravimetric Geoid (EGG 97) für die Integration verwendet. Für die Restanpassung an den Landeshorizont erwies sich ein bivariates Polynom 2. Grades als ausreichend. Im Projekt Außenelbe 2001 wurden zudem noch andere Anpassungsprogramme getestet (HEIDI 2, CMPGPS, 7 Parametertransformation). Bis auf die Ergebnisse der 7 Parameter-Transformation stimmten alle anderen Programme bis auf wenige Millimeter überein bzw. führten zu identischen Ergebnissen. Während für die Bereiche Außenems und Jade/Außenweser der Geoidverlauf gleichförmig war, zeigte der Verlauf im Bereich der Außenelbe eine sattelförmige Erhebung in Teilen des Messgebietes. Dies hatte zur Folge, dass das Stützpunktfeld für die Integration großräumig erweitert werden musste und bis nach Schleswig-Holstein ausgedehnt wurde. In den Abbildungen 14 bis 16 ist der Isolinienverlauf des EGG 97 für die jeweiligen Messgebiete dargestellt. Abb. 14: Isolinienverlauf EGG 97 Außenems Abb. 15: Isolinienverlauf EGG 97 Außenelbe Abb. 16: Isolinienverlauf EGG 97 Jade/Außenweser Seite 70

70 Die Differenzen der mittels GPS und Quasigeoid bestimmten Ist -Höhen zu den Sollwerten können als Maß für die Beurteilung der Güte der Höhenbestimmung herangezogen werden. In Abbildung 17 sind für die Kampagne Außenems 1999 die Abweichungen der Ist-Höhen zu den Sollwerten dargestellt. Die Mehrzahl der Abweichungen liegt unter 10 mm. Die maximale Abweichung nimmt einen Betrag von 16 mm an, die minimale Abweichung beträgt -2 mm. In den anderen Kampagnen werden diese Größenordnungen bestätigt. Aufgrund des geringen Stichprobenumfangs der zur Verfügung stehenden Sollwerte ist es jedoch nicht empfehlenswert, aus diesen Werten eine Standardabweichung zu berechnen. Eine theoretische Abschätzung der erreichbaren Genauigkeit kann mittels des Varianzenfortpflanzungsgesetzes durchgeführt werden. Setzt man für die Genauigkeit des EGG 97 eine Standardabweichung von σ EGG 15 mm (TORGE, DENKER 1999, S. 165) und für die Genauigkeit der ellipsoidischen GPS-Höhe von σ GPS 5 mm an, so ergibt sich aufgrund des Varianzenfortpflanzungsgesetzes eine Standardabweichung von σ 2 2 NN = σ GPS + σ EGG 16 mm Dieser Wert zeigt, dass die quasi-wahren Abweichungen ein gutes Maß sind, die Qualität der Messung/des Ergebnisses zu beurteilen. Abb. 17: Abweichungen der GPS-Höhen von den Soll-Höhen; Außenems Zusammenfassung und Ausblick Die Untersuchungen zeigen, dass die GPS-Höhen bei entsprechend langen Beobachtungszeiten i.d.r mit einer Standardabweichung (1σ; Netzlösung) < 5 mm bestimmt werden können. Dabei handelt es sich aber um eine innere Genauigkeit (Präzision), wobei die Residuen durchaus Werte im cm-bereich annehmen können. Beachtet man zudem, dass die Ergebnisse der GPS-Höhen stark von der Wahl der Antennenmodelle, Auswertesoftware etc. abhängig sind und diese Faktoren einen systematischen Effekt in der Größenordnung 5 bis 10 mm haben, so ergibt sich eine Messunsicherheit von ca. 7 bis 11 mm. Die Überführung der ellipsoidischen GPS-Höhen in physikalische Höhen ist sehr aufwändig. Die Abweichungen zu den Seite 71

71 Sollhöhen differieren in der Größenordnung von -2 mm bis +16 mm. Kritisch ist die Modellierung der Anpassungsfläche und die tlw. Rauhigkeit des Geoids. Hier gilt es, die verfügbaren Modelle weiter zu entwickeln. Gemäß der Pegelvorschrift ist die Pegellatte im Küstenbereich bei einer Abweichung von 2 cm aus ihrer Soll-Lage wieder auf ihre Soll-Lage einzustellen. Ungeklärt ist allerdings der Begriff Abweichung, z. B. ob dieser im Sinne einer Toleranz zu interpretieren ist. Da sich aus der Definition dieser Größe die erforderliche Messgenauigkeit für die Höhenmessungen ableiten, ist es somit zwingend notwendig, diese Abweichung zu definieren um eine Aussage darüber treffen zu können, ob GPS eine ausreichend genaue Methode für die Pegelüberwachung ist. Die BfG wird auch in den kommenden Jahren vermehrt GPS/GNSS nutzen, um im Küstenbereich Pegel zu überwachen. So sind im Rahmen der Erneuerungsmessungen im DHHN gemeinsame Kampagnen mit den Landesvermessungsämtern in der Planung. In dem KFKI 3 -Projekt Aufbau eines integrierten Höhenüberwachungssystems in Küstenregionen durch Kombination höhenrelevanter Sensorik arbeitet die BfG zusammen mit dem Geodätischen Institut der TU Dresden, dem Institut für Geodäsie und Photogrammetrie der TU Braunschweig und dem Landesbetrieb für Landesvermessung und Geobasisinformation Niedersachsen an einem umfassenden Küstenüberwachungssystem. Ziel von IKÜS ist es, Aussagen zu Höhen und Höhenänderungen im Küstenbereich zu machen. Dazu werden die Datenquellen Präzisionsnivellements, GPS, Wasserstandsmessungen und Präzisionsschweremessungen genutzt und integrativ, kinematisch ausgewertet (Abb. 18). Der BfG obliegt hierbei neben der projektbezogenen Analyse der Wasserstandsdaten auch die Entwicklung eines Konzeptes für künftige Pegelüberwachungen im Küstenbereich. GI-TUD (GPS,Grav.) LGN (Nivellement) BfG (Pegel) IGP-TUBS (Integration) Konzeptentwicklung für Datenintegration und Auswertemodell Analyse und Aufbereitung der Daten Aufbau einer einheitlichen Datenbank Programmtechnische Realisierung des integrietrten, kinematischen Modells Höhen und Höhenänderungen im Küstenbereich Abb. 18: KFKI-Projekt IKÜS, Projektpartner und Arbeitsschritte 3 KFKI = Kuratorium für Forschung im Küsteningenieurwesen Seite 72

72 Literatur AUGATH, W., M. BROßMANN, A. SUDAU (2003): Entwickeln einer Methodik zur universellen Höhenüberwachung von Küstenpegeln (NN-SAT), KFKI-Projekt, gemeinsamer Abschlussbericht des Geodätischen Institutes der Technischen Universität Dresden und der BfG BENGEL, W., A. SUDAU (1998): GPS-Höhenmessungen im Raum Mainz Wiesbaden, Allgemeine Vermessungsnachrichten (AVN), Jg. 105, Heft 8-9, S BfG (2000): GPS-Pegeleinmessungen an der Außenems, BfG-Bericht 1292 v BfG (2001): Hauptnivellements an den Bundeswasserstraßen Hydrostatisches Nivellement 1999 Außenems BfG-Bericht v BfG (2002): GPS-Pegeleinmessungen an der Elbe, BfG-Bericht 1352 v BfG (2005): GPS-Kampagne an der Jade und Außenweser,, BfG-Bericht 1447 v BROßMANN, M, A. NUCKELT (2003): Auswertung der GPS-Messkampagne Jade-Weser 2003, Abschlussbericht des Geodätischen Institutes der Technischen Universität Dresden Pegelvorschrift, Anlage C (1997) : Anweisung für das Festlegen und Erhalten der Pegel in ihrer Höhenlage, Herausg. Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) und Bundesministerium für Verkehr und Stadtentwicklung (BMVBS), 1997 TORGE, W., H. DENKER (1999): Zur Verwendung des Europäischen Gravimetrischen Quasigeoides EGG 97 in Deutschland, Zeitschrift für Vermessungswesen (ZfV), Jg. 124, H. 5, S ÜFK 28, 2006: Überregionales Fachkonzept 28: Pegel für Oberflächengewässer (Küste), Entwurfsfassung vom Juli 2006 Seite 73

73 Jahrgang 1957 Ausbildung Kontakt: Dr. Astrid Sudau Bundesanstalt für Am Mainzer Tor 1, Koblenz Tel.: 0261 / Fax: 0261 / sudau@bafg.de Studium der Geodäsie an der Rheinischen Friedrich- FOTO Wilhelms-Universität in Bonn Vorbereitungsdienst für den höheren vermessungstechnischen Verwaltungsdienst beim Regierungspräsidenten Münster 1994 Promtion zum Dr- Ing. an der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität in Bonn Beruflicher Werdegang Wissenschaftliche Mitarbeiterin im Geodätischen Institut der Rheinischen Friedrich-Wilhelms- Universität in Bonn Wissenschaftliche Mitarbeiterin beim Meetkundige Dienst van de Rijkswaterstaat (Department of Marine Geodesy) in Delft, Niederlande Wissenschaftliche Mitarbeiterin im Geodätischen Institut der Rheinischen Friedrich-Wilhelms- Universität in Bonn Seit 1991 Wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Bundesanstalt für, Referat Geodäsie; Ansprechpartnerin für den Aufgabenbereich Geodätische Referenzsysteme und Geokinematik Seite 74

74 GPS-Höhenmessungen in der Hydrographie Harry Wirth 1 Einleitung Dieser Bericht beschreibt die besonderen Erfahrungen mit der Satellitenortung mit GPS in der praktischen Hydrographie (Gewässervermessung), sowie die angewendeten Methoden zur Qualitätssicherung. Vor dem Hintergrund der besonderen Bedeutung der Höhenmessungen für die Sicherheit und Leichtigkeit des Verkehrs werden Verbesserungsvorschläge gemacht bzw. Forschungsbedarf aufgezeigt. Die Hydrographie ist die Wissenschaft und Praxis der Messung und Darstellung der Parameter, die notwendig sind, um die Beschaffenheit und Gestalt des Bodens der Gewässer, ihre Beziehung zum festen Land und den Zustand und die Dynamik der Gewässer zu beschreiben. (Definition nach UNITED NATIONS ECONOMIC AND SOCIAL COUNCIL, 1978). Die Gewässervermessung in der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung hat das praktische Ziel, die Beschaffenheit und Gestalt der Gewässersohle einschließlich der Übergangszone unter Wasser und der ggf. nur temporär vom Wasser bedeckten Landbereiche (Vorland) zu erfassen, die Daten zu verarbeiten, Produkte zu liefern und durch Management die dauerhafte Nutzung der Informationen zu ermöglichen und sicher zu stellen. Die Gewässervermessung ist also ein Teilbereich der Hydrographie. 2 Nutzerprofil und Hydrographisches Mess- und Auswertesystem In der Gewässervermessung werden die Koordinatentripel überwiegend von schwimmenden Trägerfahrzeuge aus, in der Regel von Messschiffen, ermittelt. Die dreidimensionale Ortung der Trägerfahrzeuge erfolgt sehr oft mittels präzisem DGPS, wobei vorzugsweise der SAPOS - Dienst HEPS der Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Länder der Bundesrepublik Deutschland genutzt wird. Das hydrographische Nutzerprofil für GNSS-Dienste wird durch folgende Kriterien definiert: Hydrographie und Schifffahrt sind Echtzeitnutzer, Einsatzzeit rund um die Uhr, bzw. 8 Stunden kontinuierlich, eigene Referenzstationen nur dort, wo Dienste nicht nutzbar, geforderte Höhenunsicherheit (95%) < 5 cm Die Höhenunsicherheit umfasst zufällige und systematische Abweichungen. Nur in den Fällen, in denen nachweislich kein Korrekturdatenempfang möglich ist, werden eigene mobile Referenzstationen betrieben. Seite 75

75 Die Tiefenmessung erfolgt mittels Echoloten. Die Lage- bzw. Orientierung des Trägerfahrzeuges im Raum wird mit weiteren Sensoren erfasst. GPS-Satelliten Korrekturdaten 3dimensionale GPS-Ortung Referenzstation - der Landesvermessung - temporäre Referenzstation des WSA Lotung Abb. 1: Darstellung der Satellitenortung inklusive Tiefenmessung auf Messschiffen Die Qualität des Ortungssensors trägt zwar maßgeblich zur erreichten Genauigkeit bei, jedoch wird mit Hilfe der weiteren Sensoren die Höhe der GPS-Antenne auf das Zentrum des Echolotschwingers zentriert. Die Laufzeiten der Echolotsignale können ebenfalls Fehler aufweisen. Die eigentliche Zielgröße, die Höhe der Gewässersohle, hat deshalb eine andere Qualität als die GPS-Höhenmessung. Der Bearbeitungsschritt, die Tiefenmessungen auf ein amtliches Höhensystem zu beziehen, wird als Beschickung bezeichnet. Abb. 2: Komponenten eines Vermessungssystems (Messplanung Schiffsführung Datenerfassung Datensichtung) Seite 76

76 Die Daten aller Sensoren werden in dem Vermessungssystem gesammelt und mit dem jeweiligen Messzeitpunkt versehen. Die Echolote liefern je nach Ausführung und Anordnung der Schwinger bei einer Messfahrt entweder linienhaft oder flächenhaft Messwerte. Einfachschwingersystem (Vertikalecholot) Mehrfachschwingersystem (n-vertikalecholote) Fächerecholot (1,bzw. 2 Schwinger) 5 15 Messwerte/sek Messwerte/sek Messwerte/sek Abb. 3: Schwingeranordnung und Messwerthäufigkeit Da ein neues Schallsignal erst abgesendet werden kann, nachdem der vorher gesendete Impuls wieder empfangen und verarbeitet wurde, nimmt die Messfrequenz mit größerer Tiefe ab. Durch den Einsatz von modernen Fächerloten hat sich im Binnenbereich die mit GPS- Höhen zu versehende und weiter zu verarbeitende Datenmenge ca. um den Faktor 340 erhöht. Die hohe Redundanz der Messwerte kann für eine statistisch gesicherte und qualitativ hochwertige Schätzung der wahren Sohlgeometrie genutzt werden (siehe Kap. 4.4). 3 Fehlerquellen und Problembereiche Die Qualität jeder Sensormessgröße wird durch individuelle Einflussgrößen beeinflusst. Die Sohlhöhen werden aus den Messgrößen der Einzelsensoren mit Hilfe einer mathematischen Funktion berechnet, so dass die Genauigkeit der Sohlhöhe eine so genannte kombinierte Messunsicherheit hat: Tiefenmessung: Wasserschallprofil, Mehrwegeeffekte, Signalverarbeitung, Morphologie der Sohle Lage, Heading: Dämpfung IMU, Kompassfehler, Nullablagen der Sensoren 3D-Ortung: Beeinflussbar: Anschlusskoordinaten, Koordinatentransformation, Geoid Hinzunehmen? Abschattungen, Mehrwegeeffekte, Variation Antennenphasenzentrum, Güte der Korrekturwerte Zusammenführen der Messgrößen: Uhrenfehler der Sensoren, Einmessung der Sensoren ins Schiffskoordinatensystem Seite 77

77 Auf die Einflussgrößen der Tiefenmessung, Lage und Heading und das Zusammenführen der Messgrößen soll hier nicht näher eingegangen werden. Die Einflussgrößen der 3D-Ortung mit GPS kann man unterscheiden in eindeutig beeinflussbare Größen wie Transformationsparameter und andere, beispielsweise durch die GNSS- Betreiberseite bedingte Fehlerquellen oder Signalabschattungen durch Bewuchs, Bebauung (Brücken, Spundwände, Verladeanlagen) und Mehrwegeeffekte aufgrund des näheren Antennenumfeldes. Betrachtet man die in den folgenden Bilder dargestellten typischen äußeren Rahmenbedingungen, so ist leicht nachzuvollziehen, dass qualitätssteigernde Maßnahmen oft schwer möglich sind. Abb. 4: Problembereiche für GPS-Höhenmessungen in der Hydrographie Der Einfluss von Bewuchs kann tendenziell durch flächenhafte Tiefenmesssysteme wie Mehrfachschwinger und besonders durch Fächerlote gemindert werden. Mit einem Fächerlot kann man beispielsweise den landseitigen Fächer auf 90 öffnen, so dass quasi horizontal gegen das Ufer gemessen werden kann. Dadurch kann der Abstand zum Ufer vergrößert werden, was wiederum Signalausfälle durch Abschattungen verringert. 4 Qualitätssicherungsmaßnahmen Die Qualität des Messergebnisses wird gleichermaßen durch die Erfassungsgenauigkeit und durch die Methoden des Auswerteprozesses beeinflusst. Um die Qualität eindeutig angeben und sichern zu können, wurden von der BfG Standards entwickelt. Standards (WIRTH 2002) garantieren Seite 78

78 gleichbleibende belegbare Qualität, schaffen Transparenz bei komplexen Abläufen, ermöglichen kontinuierliche Verbesserung der Produktion. Diese Standards wurden im Küstenbereich mit dem Projekt aqua angepasst und seit 6/2005 angewendet: Im Binnenbereich wurden mit Erlass des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung vom die Standards für die qualitätsgesicherte Gewässervermessung gleichfalls eingeführt. Die konkrete Umsetzung durch die Mittelbehörden steht noch aus. der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Bei der Aufstellung der Standards wurde die Gewässervermessung in Einzelprozesse gegliedert, die jeweils in Verfahrens- und Arbeitsanweisungen detailliert beschrieben werden. In nachfolgender Tabelle wurden diejenigen Prozesse zusammengestellt, die Einfluss auf die Höhengenauigkeit haben. Die in der Tabelle genannten Prozessschritte wurden in der Reihenfolge aufgelistet, in der die Einzelprozesse in der Praxis abgearbeitet werden. Tabelle 2: Prozessschritte und Zielgröße sowie qualitätssteigernde Effekte Prozessschritt Zielgröße Inbetriebnahme, Prüfung auf Passpunkt Prüfung auf Schiff vor Beginn der Messung Plausibilisierung während der Messung Postprocessing-Plausibilisierung Modellierung Transformationsparameter, Geoid, Güte der Korrekturparameter, Empfangsqualität RTK-Initialisierung, Exzentrizitäten im Schiffskoordinatensystem Eliminierung grober Ausreißer während der Aufnahme Suche nach kleineren Ausreißern Minderung zufälliger Abweichungen und unkorrigierbarer systematischer Restfehler 4.1 Prüfung auf Passpunkt Bei der Inbetriebnahme des Vermessungssystems, nach dem Austausch von Geräten oder Änderung von Transformationsparametern ist auf Passpunkten möglichst ausgehend von der Bordanlage mit Verlängerung des Antennenkabels eine Überprüfung der Ortung durchzuführen. In der von der BfG entwickelten Software HYMAS (Hydrografisches Mess- und Auswertesystem) wird dazu der Dialog Überprüfung der Ortung und Beschickung aufgerufen. Das Programmmodul sammelt über einen vorab einstellbaren Zeitraum die GPS-Messwerte und vergleicht diese mit Sollwerten sowohl in der Lage- wie auch in der Höhenkomponente (WIRTH 1998). Seite 79

79 In der Lage sind typischerweise Abweichungen in der Größenordnung kleiner ca. 10 cm zu beobachten (Abb. 5). Weil die Transformationsparameter für Gebiete von ca km Ausdehnung optimiert wurden, können Netzspannungen im Lagestatus mit Bessel-Bezug in dieser Größenordnung oft nicht besser beseitigt werden. Die verbleibenden Lageabweichungen sind in der Hydrographie jedoch tolerabel. Der Abbildung 5 ist ebenfalls zu entnehmen, dass der Mittelwert der Höhen über 10 Minuten Messdauer weniger als 1 cm vom Sollwert abweicht. Daraus kann geschlossen werden, dass die Anpassung des verwendeten Geoids erfolgreich war. Außerdem wird geprüft, welche Höhenqualität bei 95% der Messungen erreicht wurde. Dieser Wert sollte unter 5 cm liegen. mit Trimble 5700, Zephir-Rover-Antenne Korrekturdatenverlust FKP VRS Lageabweichung ist tolerabel Lageabweichung ist tolerabel Abb. 5: Überprüfung der Höhenmessungen mit der Software HYMAS Die restlichen Höhenmessungen mit größeren Abweichungen teilen sich in Ausreißer (siehe linke Abb. 5) und in Messwerte, die über eine teilweise minutenlange Phase den zulässigen Maximalbetrag von 5 cm überschreiten und sich wie ein zeitlich begrenzt auftretender systematischer Fehler auswirken. Die Ursache dieses Verhaltens muss noch geklärt werden. Die Annahme, dass es an der Art der Korrekturdaten liegt (VRS oder FKP linkes Bild), konnte nicht bestätigt werden, weil diese Abweichungen bei weiteren Messungen mit beiden Verfahren auftraten. Grobe Ausreißer aufgrund Korrekturdatenverlust können während der Messung sehr einfach detektiert werden (siehe Kap. 4.3). Seite 80

80 4.2 Prüfungen vor Beginn der Messungen Vor Beginn der Messungen sind wenn möglich folgende Kontrollen durchzuführen: Grobkontrolle durch Vergleich der Örtlichkeit mit der Schiffsposition in der digitalen Karte, Grobkontrolle der Koordinaten am Schiffsliegeplatz durch Aufnahme einer Zeitreihe, Vergleich der Mittel der gemessenen Wasserspiegel-Höhen bei frei treibendem Schiff mit Pegelablesung oder nivellierter Wasserspiegelhöhe, Vergleich der Ortung mit redundantem Ortungssystem (z.b. motorisierter Tachymeter) Es handelt sich im Wesentlichen um Kontrollen, mit denen die Funktionsfähigkeit des Ortungssystems grob geprüft werden kann. Im Falle der Kontrolle der Wasserspiegelhöhe ist jedoch eine Methode vorhanden, mit der recht genau die Zuverlässigkeit und Qualität nachgewiesen werden kann. Die Behörden müssen nach den Standards amtspezifisch Toleranzen definieren, bei deren Überschreitung die Messung nicht gestartet werden darf. 4.3 Prüfungen während der Messungen Während der Messung können grobe Ausreißer aufgrund Korrekturdatenverlust von der Bordsoftware HYMAS sehr einfach automatisch durch Überwachung des RTK-quality-Flag im Datenstrom detektiert werden. Schwieriger wird es, wenn der GPS-Empfänger eine einwandfreie Höhenqualität signalisiert, obwohl die Messung fehlerhaft ist. Größere bis mittelgroße Ausreißer können von der Bordsoftware HYMAS automatisch durch der Vergleich der gemessenen Wasserspiegelhöhe mit einem aus einem stationären Wasserspiegellagenmodell entnommenen Wert erkannt werden. In Abhängigkeit des einzugebenden Wasserstands an einem Bezugspegel wählt die Software die zugehörige Wasserspiegellage des Modells aus. ΔH Antenne ΔH WSp-Modell Wasserspiegellagenmodell Abb. 6: Überwachung der GPS-Höhen durch Wasserspiegelhöhen Seite 81

81 Suspekte Messungen werden bei Überschreiten einer zu definierenden Toleranz eliminiert. Das Verfahren vernachlässigt jedoch Einflüsse wie Sunk- und Schwall aufgrund von Schiffsbegegnungen, Modellfehler aufgrund der Instationarität des Wasserspiegellagenmodells sowie scheinbare Höhenänderungen aufgrund von Rollbewegungen des Schiffes. Aus diesem Fehlerbudget wurde in der Praxis zur Detektion von Ausreißern für die Höhentoleranz empirisch ein Wert von 3 dm ermittelt. Revierspezifisch können andere Werte besser geeignet sein. In der nächsten Qualitätssicherungsstufe werden die Messwerte unmittelbar nach Beendigung jeder Profilaufnahme automatisch durch polynominale Regressionsanalysen in Verbindung mit statistischen Hypothesentests auf Ausreißer untersucht (WIRTH 1995). Die Toleranzgrenze für die Höhenkomponente kann in diesem Prüfverfahren enger, z. B. auf 1 dm gesetzt werden. Zukünftig soll das Bewegungsverhalten des Schwingerzentrums mittels adaptivem und wissensbasierten KALMAN-Filter prädiziert und gefiltert werden. Der Filter ist adaptiv, weil er sich den ändernden Rahmenbedingungen anpasst: Wenn die Messwerte fehlerfrei sind, folgt der Filter eher den Messwerten. Wenn die Qualität der Messwerte sinkt, folgt der Filter eher dem bisher geschätzten Trend. Wissenbasiertes Filtern bedeutet, dass das Vorwissen wie die maximal mögliche Wellenhöhe oder maximale Rollwinkelausschläge oder die zu erwartende Wasserspiegelhöhe verwendet werden können, um die Verzerrung des Systemzustands durch fehlerhafte Messwerte auszuschließen. Die Zuverlässigkeit des Systems soll durch eine Multisensorintegration erhöht werden. Beispielsweise liefert GPS den Hauptbeitrag für die Höhenkomponente, wird dabei aber von dem inertialen Bewegungssensor (IMU Inertial Motion Unit) (WIRTH et al 1998) oder anderen Sensoren wie Pegelablesungen, Doppler-Log, Drehzahl der Schiffsschraube unterstützt. Die Höhenkomponente kann durch die Verwendung mehrerer GPS-Empfänger verbessert werden. Mit diesem Integrierten hydrographischen Ortungssystem wären gleichzeitig mehrere Ziele zu erreichen: Reduzieren zufälliger Abweichungen durch Glättung, Grob-Fehlererkennung, Überbrücken von GPS-Ausfällen, Bestimmen von Driftparametern bei IMU s. Der Filter zeigt seinen aktuellen Zustand durch den Zustandsvektor und die zugehörige Prozessrauschmatrix an. Zufällige Messabweichungen können durch Hypothesentests detektiert werden. Aus dem Auseinanderdriften der Informationen mehrerer Sensoren kann auf Fehler geschlossen werden. Der Systemzustand wird im Beispiel der Abbildung 7 durch die Komponenten Position, transversale Geschwindigkeit, Tangentialgeschwindigkeit sowie horizontale Drehrate beschrieben. Die tatsächliche gefahrene Spur des rot gekennzeichneten Bezugspunktes wird durch eine durchgezogene Linie gekennzeichnet. Der Filter liefert Positionen (gestrichelte Linie), die von der Realität abweichen können. Insbesondere bei Änderungen der Tangential- Seite 82

82 beschleunigung entstehen Abweichungen zwischen Filter und tatsächlicher Position. Deshalb sollten Messfahrten möglichst gleichförmig und ohne Manöver durchgeführt werden. Durch den Vergleich der gemessenen Rohpositionen mit der Filterposition unter Verwendung der in der Prozessrauschmatrix enthaltenen Genauigkeitsinformation können Ausreißer in Echtzeit detektiert werden. Kalman-Filter zur Zustandsschätzung V ω V quer V längs Filter-Position Gemessene Position Abb. 7: Prinzip der Kalman-Filterung 4.4 Postprocessing Plausibilisierung Im Anschluss an die Messungen werden alle Messwerte in der Gesamtschau plausibilisiert, d. h. Kontrollen unterzogen, die sowohl systematische Fehler als auch grobe, zufällige Ausreißer aufdecken sollen. In den Standards sind folgende Verfahren beschrieben: a) Manuelle Kontrolle der GPS-Höhenzeitreihen in einem graphischen Editor, wobei die Richtigkeit z.b. durch Vergleich mit einer vorherigen Messung nachgewiesen wird. Ausreißer werden von Hand markiert und aus den zu verwendenden Daten entfernt. b) Automatische Ausreißersuche durch Polynomapproximation mit robusten Schätzern. Hier wird unterschieden in die Analyse der GPS-Höhen (Sensoranalyse) der berechneten Daten der Sohle, wobei diese Analyse unterteilt wird in o linienhaft profilweise Plausibilisierung. Dieses Verfahren ist nur bei Einzelschwingersystemen wirtschaftlich sinnvoll. o Flächenhafte Plausibilisierung (gleichzeitige Analyse mehrerer Messfahrten) Eine vertiefe Darstellung der Verfahren finden Sie in (WIRTH 1999, 2002). Wie bereits im Kapitel 2 gesagt, vervielfachen sich die Koordinaten der GPS-Höhenmessungen vor allem bei flächenhaften Aufnahmeverfahren durch Zusammenführen mit den Daten der Tiefenmessung. Zufällige Abweichungen in den GPS-Höhenmessungen sind in gleicher Weise in allen zu einem Fächer gehörenden Koordinaten der Sohle enthalten. Seite 83

83 Bei der flächenhaften Plausibilisierung können zu große Abweichungen durch die Redundanz der Nachbarmesswerte zuverlässig detektiert werden. Dazu werden alle Messwerte in definierte quadratische Maschen einsortiert. Anschließend wird für jede Masche ein bestes erwartungstreues ausgleichendes ganzes rationales Polynom geschätzt und Ausreißer gesucht. Abb. 8: Ausgleichende Fläche dritter Ordnung Die Anpassungsfähigkeit der Polynome ist begrenzt. Betrachtet man die Abbildung 8, so ist leicht vorstellbar, dass kleinere Erhebungen gegenüber der regelmäßigen Fläche statistisch gesehen als Ausreißer erkannt werden. Um zu vermeiden, dass noch plausible, die natürliche Rauhigkeit repräsentierende Messwerte verworfen werden, wird ein statistisch gesicherter Ausreißer erst dann eliminiert, wenn die Abweichung außerdem einen revierspezifischen geometrischen Schwellwert überschreitet: In einem Messgebiet liegen Schüttsteine auf der Sohle, diese haben eine Kantenlänge von ca. 3 dm =>Ausreißer werden erst ab einer Höhenabweichung > 3 dm zugelassen! 4.5 Modellierung Aus nahezu allen flächenhaften Sohlaufnahmen werden Digitale Geländemodelle berechnet. In vielen Fällen ist die Modellierung die letzte Veredelungsstufe der Höhenmessungen. Die hohe Redundanz der Messwerte bildet die Voraussetzung für die statistisch gesicherte und qualitativ hochwertige Schätzung der wahren Sohlgeometrie mittels vermittelnder gleitender Flächenpolynome. Durch das Modellierungsverfahren können folgende Verbesserungen erzielt werden: Zufällige Höhenabweichungen werden durch die Ausgleichung nahezu eliminiert. Kurzzeitige systematische Abweichungen werden wahrscheinlich reduziert, wenn die Messfahrten sich überlappen und der zeitliche Abstand der Messfahrten größer als die Dauer der Kurzzeit- Systematik ist. Die anfängliche Unsicherheit der Einzelmessung wird durch die Modellierung in der Regel verkleinert. Seite 84

84 Rot = Modell Minderung der systematischen Fehler in Überlappungsbereichen? Abb. 9: Längsprofil durch Geländemodell und Messwerte an der Elbe In der Abbildung 9 kann man die ausgleichende Wirkung der Modellierung daran erkennen, dass die (roten) Modellpunkte quasi in der Mitte des Rauschens der Messwerte (grün und blau) liegen. An dem zweiten Riffel von rechts sind die Messwerte benachbarter Fahrten (blau und grün) nicht gleichmäßig verteilt, sondern es existieren zwei Horizonte. Diese Höhenabweichungen können viele Ursachen haben. Unter der Voraussetzung, dass alle Sensoren kalibriert wurden, verbleibt als wahrscheinlichste Ursache ein zeitlich begrenzt auftretender systematischer Fehler der GPS-Höhenmessungen. Durch das Modellierungsverfahren wird insofern eine Verbesserung erzielt, als dass die Hoffnung besteht, dass das Mittel aus beiden Messungen ein kleineres Risiko darstellt wie die Entscheidung für eine der beiden Messungen. Abb. 10: Beispiel-DGM aus Fächerlot- und qualitätsgesicherter Höhenmessung mit GPS Seite 85

85 5 Zusammenfassung und Ausblick Die Höhenmessung mit GPS und die weitere Verarbeitung der Daten wird in der Hydrographie zukünftig mit einheitlichen und qualitätsgesicherten Methoden erfolgen. Der hydrographische Nutzer der GNSS-Dienste wird zukünftig verstärkt eine flächenhafte Verfügbarkeit der Korrekturdaten rund um die Uhr fordern. Zur Verbesserung der Höhenmessgenauigkeit ist das von den Geräteherstellern genutzte Auswertemodell in Frage zu stellen und ggf. auf für die kinematischen Höhenmessungen besser geeignete Auswertemodelle hin weiter zu entwickeln. Die Eignung und Vorzüge der Korrekturparameter wie FKP und VRS sind gegen das mit RTCM 3.1 einzuführende MAC (Master Auxiliary Concept) abzuschätzen. Bei den kinematischen Anwendungen lassen sich weitere technische Verbesserungen für die Höhenmessgenauigkeit erreichen, indem die Phasenzentrumsvariationen zukünftig mit Schiffslagemessungen online korrigiert werden. Entsprechende Entwicklungen sind noch zu veranlassen. Ein weiterer, viel versprechender Aspekt ist die Kombination von GPS mit anderen Sensoren und anderen Satellitennavigationssystemen. Die BfG wird diesem Arbeitsbereich in nächster Zukunft besondere Aufmerksamkeit zukommen lassen. Falls es mit den o.g. Maßnahmen gelänge, die Echtzeit-Messunsicherheit (95%) auf weniger als 3 cm in der Höhe zu verringern, würde im Flachwasserbereich in etwa die Qualität der Tiefenmessgenauigkeit mit Echoloten erreicht und im Küstenbereich deutlich unterschritten. In manchen Bereichen der Wasserstraßen ist die physikalische Definition des Übergangs zwischen Wasser und fester Sohle etwa in der gleichen Größenordnung unsicher, so dass damit die Grenze der physikalisch sinnvollen Genauigkeit erreicht wäre. Literatur WIRTH, H. (1995): Gewässervermessung im Binnenbereich der BWaStr mit DGPS-Ortung, DVW Schriftenreihe 14/1995, 37. DVW-Seminar Hydrographische Vermessungen - Heute-, Wittwer Verlag, Stuttgart WIRTH, H. (1998): Hydrographisches Vermessungssystem HYMAS, 44. DVW-Semiar Hybride Vermessungssysteme, DVW Schriftenreihe 29/1998, Wittwer Verlag, Stuttgart WIRTH, H. et al. (1998): Hydrographische Positionsbestimmung mit präzisem DGPS und INS-Unterstützung in Echtzeit, Co-Autoren: Dybek, J.; Seeber, Günther; Böder, D.; Wübbena, G.; Bagge, A., 13. Hydrographentag 1998, Papenburg WIRTH, H. (1999): Flächenhafte Plausibilisierung von Peildaten, DVW Schriftenreihe 37/1999: Gewässervermessung und Hydrographische Informationssysteme, Wittwer Verlag, Stuttgart WIRTH, H. (2002): Quality controlled Data Processing, Hydro 2002 Sounding the Future, The Hydrografic Society Special Publication No.46, Kiel 9/2002 Seite 86

86 Jahrgang: Studium Vermessungswesen an der Universität Bonn Referendariat in NRW, Assessor FOTO seit 1988: Wissenschaftlicher Mitarbeiter der Bundesanstalt für, Vermessungsoberrat seit 1994 bis 1998 als Sachbereichsleiter für Gewässervermessung tätig, danach Ansprechpartner für Geräte und Verfahren der Gewässervermessung Kontakt: Dipl.-Ing. Harry Wirth Bundesanstalt für Am Mainzer Tor Koblenz Tel.: 0261/ Fax: 0261/ wirth@bafg.de Projektleitung, z.b.: : Entwicklung und Erprobung von PDGPS für das Peilwesen der WSV : Optimierung der hydrographischen Positionsund Lagebestimmung, Projekt des Kuratoriums für das Küsteningenieurwesens im Auftrag des BMFT, : Leitung der PG Standardisierte und qualitätsgesicherte Gewässervermessung Seite 87